Descubierto hace más de 100 años, La superconductividad continúa cautivando a los científicos que buscan desarrollar componentes para una transmisión de energía altamente eficiente. electrónica ultrarrápida o bits cuánticos para computación de próxima generación. Sin embargo, determinar qué hace que las sustancias se conviertan o dejen de ser superconductores sigue siendo una cuestión central a la hora de encontrar nuevos candidatos para esta clase especial de materiales.

En superconductores potenciales, Puede haber varias formas en que los electrones pueden organizarse. Algunos de estos refuerzan el efecto superconductor, mientras que otros lo inhiben. En un nuevo estudio, Los científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han explicado las formas en que dos de estos arreglos compiten entre sí y, en última instancia, afectan la temperatura a la que un material se vuelve superconductor.

En el estado superconductor, los electrones se unen en los llamados pares de Cooper, en el que se correlaciona el movimiento de los electrones; en cada momento, las velocidades de los electrones que participan en un par dado son opuestas. Por último, el movimiento de todos los electrones está acoplado (ningún electrón puede hacer lo suyo) lo que conduce al flujo de electricidad sin pérdidas:la superconductividad.

Generalmente, cuanto más fuertemente se acoplan los pares y mayor es el número de electrones que participan, mayor será la temperatura de transición superconductora.

Los materiales que son potenciales superconductores de alta temperatura no son elementos simples, pero son compuestos complejos que contienen muchos elementos. Resulta que, además de la superconductividad, los electrones pueden exhibir diferentes propiedades a bajas temperaturas, incluido el magnetismo o el orden de onda de densidad de carga. En una onda de densidad de carga, los electrones forman un patrón periódico de alta y baja concentración dentro del material. Los electrones que están ligados a la onda de densidad de carga no participan en la superconductividad, y los dos fenómenos compiten.

"Si eliminas algunos electrones para ponerlos en una onda de densidad de carga, la fuerza de su efecto superconductor disminuirá, "dijo el científico de materiales de Argonne Ulrich Welp, un autor correspondiente del estudio.

El trabajo del equipo de Argonne se basa en la constatación de que el orden de onda de la densidad de carga y la superconductividad se ven afectados de manera diferente por las imperfecciones del material. Al introducir el desorden, los investigadores suprimieron una onda de densidad de carga, interrumpiendo el patrón de onda de densidad de carga periódica mientras que tiene solo un pequeño efecto sobre la superconductividad. Esto abre una manera de ajustar el equilibrio entre el orden de onda de densidad de carga en competencia y la superconductividad.

Para introducir desorden de tal manera que deteriore el estado de onda de densidad de carga, pero dejó el estado superconductor prácticamente intacto, los investigadores utilizaron la irradiación de partículas. Al golpear el material con un haz de protones, los investigadores eliminaron algunos átomos, cambiar la estructura electrónica general manteniendo intacta la composición química del material.

Para tener una idea del destino de las ondas de densidad de carga, Los investigadores utilizaron la dispersión de rayos X de última generación en la fuente de fotones avanzada (APS) de Argonne, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, y la fuente de sincrotrón de alta energía de Cornell. "La dispersión de rayos X fue esencial para observar las sutilezas de este orden electrónico en el material, ", dijo el físico de Argonne y autor del estudio Zahir Islam." Descubrimos que una concentración diluida de átomos desordenados realmente disminuía la onda de densidad de carga para mejorar la superconductividad ".

Según el Islam, mientras que el brillo actual del APS permitió estudios sistemáticos de ondas de densidad de carga a partir de pequeñas muestras de monocristal a pesar de su fuerza de dispersión relativamente débil, la próxima actualización planificada de la instalación brindará a los investigadores la máxima sensibilidad para observar estos fenómenos. Es más, él dijo, los científicos se beneficiarán del estudio de estos materiales en entornos extremos, en particular, bajo campos magnéticos altos para inclinar la balanza a favor de ondas de densidad de carga para obtener los conocimientos necesarios sobre la superconductividad de alta temperatura.

En la investigación, los científicos investigaron un material llamado óxido de cobre y bario de lantano (LBCO). En este material, la temperatura superconductora se desplomó casi hasta el cero absoluto (-273 grados Celsius) cuando el material alcanzó una determinada composición química. Sin embargo, para composiciones estrechamente relacionadas, la temperatura de transición se mantuvo relativamente alta. Los científicos creen que este efecto de enfriamiento de la superconductividad se debe a la presencia de ondas de densidad de carga y que la supresión de la onda de densidad de carga podría inducir temperaturas de transición aún más altas.

Con ondas de densidad de carga deterioradas por el desorden, la superconductividad obtiene el beneficio, Wai-Kwong Kwok, Miembro distinguido de Argonne y autor del estudio, explicado. "Desde la perspectiva del superconductor, el enemigo de mi enemigo verdaderamente es mi amigo, " él dijo.

Un artículo basado en el estudio, "El trastorno eleva la temperatura crítica de un superconductor de cuprato, "apareció en la edición en línea del 13 de mayo de la procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .