La superconductividad de alta temperatura es uno de los grandes misterios de la física. El grupo de investigación de Milan Allan utilizó un microscopio de túnel de barrido Josephson para obtener imágenes de variaciones espaciales de partículas superconductoras por primera vez. y publicado sobre ello en la revista Naturaleza .

"Uno de los misterios de los superconductores de alta temperatura es la posibilidad de que no sean homogéneos. Esto significa que la densidad de los pares de Cooper que causan la superconductividad cambia en el espacio, "dice el físico Milan Allan de LION, 'probamos que, Por supuesto, existen superconductores muy heterogéneos, imaginándolos por primera vez ".

El descubrimiento atrapó a Doohee Cho, Koen Bastiaans, Damianos Chatzopoulos y Allan un artículo de Nature, y puede ayudar a explicar la misteriosa superconductividad de alta temperatura.

Superconductividad convencional, en el que un material conduce una corriente eléctrica sin ninguna resistencia medible, fue descubierto en 1911. El físico de Leiden, Heike Kamerlingh Onnes, notó que la resistencia eléctrica del mercurio desaparecía a una temperatura de 4,2 grados por encima del cero absoluto.

Veleros

Eso fue extraño e inesperado porque normalmente, electrones que fluyen a través de un metal, chocará con átomos o irregularidades en la estructura cristalina, que conduce a la resistencia eléctrica.

Solo en 1957, El fenómeno fue explicado por los físicos Bardeen, Cooper y Schrieffer. Mostraron cómo los electrones que fluyen a través de un cristal pueden detectarse entre sí a distancia, a través de vibraciones en la celosía de cristal, llevándolos a emparejarse y formar los llamados pares de Cooper.

Aparte de los electrones, Los pares de Cooper pueden fusionarse y formar un gran colectivo, moviéndose a través del cristal. Este colectivo es mucho más grande que los átomos o defectos individuales, y no los sentirá. Es un poco como la ola gigante que atraviesa un campo de veleros sin obstáculos, donde las pequeñas olas serán detenidas por barcos individuales.

Superconductores de alta temperatura

Inesperadamente, En 1986, los físicos suizos Bednorz y Müller descubrieron una clase de materiales superconductores a temperaturas inusualmente "cálidas" de hasta 90 grados por encima del cero absoluto. Lo suficientemente cálido como para hablar de superconductividad de alta temperatura ".

Esto promete una gran cantidad de aplicaciones en tecnología, que van desde líneas eléctricas prácticamente sin pérdidas hasta trenes flotantes, si la temperatura crítica pudiera aumentarse a temperatura ambiente.

"Pero la promesa no se cumplió, "dice Allan. Algunas aplicaciones están llegando lentamente al mercado, pero la temperatura crítica se estancó, quizás porque hasta el día de hoy, Los físicos teóricos no comprenden completamente la superconductividad no convencional, a pesar de décadas de experimentos y teorizaciones.

Lo que se ha sabido, es que los pares de Cooper en estos superconductores son mucho más pequeños y más dispersos en comparación con los superconductores convencionales.

Microscopio Josephson

"Se ha hablado de esta falta de homogeneidad durante años, "dice Allan. Para finalmente visualizarlo, El grupo de Allan utilizó un tipo especial de microscopio de túnel de barrido (STM), que crea una imagen de una muestra moviendo una pequeña punta de aguja sobre la superficie. Mientras la aguja escanea la superficie, se miden las propiedades locales, produciendo una imagen con resolución atómica.

El tipo específico de STM se llama Josephson-STM, en el que la punta está cubierta con plomo superconductor. Utiliza el efecto Josephson:dos corrientes superconductoras pueden cruzar un pequeño espacio no conductor, en este caso, el espacio entre la punta y la muestra. Midiendo cuidadosamente esta corriente de Josephson, se puede medir la densidad de los pares de Cooper. Usando otros microscopios, puede mapear simultáneamente la coherencia de los pares de Cooper, una medida de su estabilidad.

Pares de Lumpy Cooper

Las imagenes, cada uno de los cuales toma alrededor de tres días de escaneo, mostró que la coherencia y la densidad eran muy heterogéneas.

Para excluir la posibilidad de que esto sea causado por falta de homogeneidad en el cristal mismo, los físicos también tomaron imágenes de los átomos, pero esto produjo un patrón completamente diferente. "Esto muestra que la falta de homogeneidad no es simplemente una consecuencia de la red cristalina, sino que es una propiedad de los propios pares de Cooper, "dice Allan.

Josephson STM se había construido y utilizado antes, pero no con la resolución y confiabilidad que arrojaron estas imágenes. "Es una suma de muchas mejoras técnicas individuales, que nos permitió hacer esto. Y también eligiendo la muestra correcta ". El seleniuro de telururo de hierro (FeTeSe) cuidadosamente seleccionado es un superconductor de alta temperatura, pero relativamente simple

Una nueva lente

Los hallazgos pueden ayudar aún más a los teóricos, como los físicos LION Jan Zaanen y Koenraad Schalm, Resuelve el misterio. Con su microscopio, Allan espera investigar otros materiales muy pronto. "Es como una lente nueva, un nuevo tipo de telescopio. Finalmente, podemos observar una propiedad clave de la superconductividad que antes no se podía ver ".