Los físicos han descubierto "emparejamiento de electrones, "una característica distintiva de la superconductividad, a temperaturas y energías muy por encima del umbral crítico donde ocurre la superconductividad.

Doug Natelson de la Universidad de Rice, coautor correspondiente de un artículo sobre el trabajo de esta semana Naturaleza , dijo que el descubrimiento de pares de electrones de Cooper "un poco por encima de la temperatura crítica no será 'una sorpresa loca' para algunas personas. Lo que es más extraño es que parece que hay dos escalas de energía diferentes. Hay una escala de energía más alta donde las parejas se forman, y hay una escala de energía más baja en la que todos deciden unirse y actuar de manera colectiva y coherente, el comportamiento que realmente provoca la superconductividad ".

La resistencia eléctrica es tan común en el mundo moderno que la mayoría de nosotros damos por sentado que las computadoras, los teléfonos inteligentes y los aparatos eléctricos se calientan durante el uso. Ese calentamiento ocurre porque la electricidad no fluye libremente a través de los cables metálicos y los chips de silicio dentro de los dispositivos. En lugar de, los electrones que fluyen ocasionalmente chocan con átomos o entre sí, y cada choque produce un poquito de calor.

Los físicos saben desde 1911 que la electricidad puede fluir sin resistencia en materiales llamados superconductores. Y en 1957, descubrieron por qué:en condiciones específicas, incluyendo temperaturas típicamente muy frías, los electrones se unen en pares, algo que normalmente está prohibido debido a su repulsión mutua, y como pares, pueden fluir libremente.

"Para obtener superconductividad, la sensación general es que necesitas parejas, y necesitas lograr algún tipo de coherencia entre ellos, "dijo Natelson, que se asoció en la investigación con expertos de Rice, Laboratorio Nacional Brookhaven y la Universidad de Connecticut. "La pregunta, por mucho tiempo, era, '¿Cuándo obtienes pares?' Porque en los superconductores convencionales, tan pronto como formabas pares, seguirían la coherencia y la superconductividad ".

Los pares de electrones llevan el nombre de Leon Cooper, el físico que los describió por primera vez. Además de explicar la superconductividad clásica, Los físicos creen que los pares de Cooper producen superconductividad de alta temperatura, una variante poco convencional descubierta en la década de 1980. Se denominó "alta temperatura" porque ocurre a temperaturas que, aunque aun hace mucho frio, son considerablemente más altos que los de los superconductores clásicos. Los físicos han soñado durante mucho tiempo con fabricar superconductores de alta temperatura que funcionen a temperatura ambiente, un desarrollo que cambiaría radicalmente la forma en que se produce la energía, movido y usado en todo el mundo.

Pero si bien los físicos tienen una comprensión clara de cómo y por qué ocurre el emparejamiento de electrones en los superconductores clásicos, no se puede decir lo mismo de los superconductores de alta temperatura como el óxido de cobre, estroncio y lantano (LSCO) presentado en el nuevo estudio.

Cada superconductor tiene una temperatura crítica a la que desaparece la resistencia eléctrica. Natelson dijo que las teorías y estudios de los superconductores de óxido de cobre durante los últimos 20 años han sugerido que los pares de Cooper se forman por encima de esta temperatura crítica y solo se vuelven coherentemente móviles cuando el material se enfría a la temperatura crítica.

"Si eso es cierto, y ya tienes pares a temperaturas más altas, La pregunta es, '¿También puedes obtener coherencia a esas temperaturas?' ", Dijo Natelson." ¿Puedes de alguna manera convencerlos de que comiencen su baile en la región conocida como pseudogap, un espacio de fase a temperaturas y escalas de energía más altas que la fase superconductora ".

En el Naturaleza estudio, Natelson y sus colegas encontraron evidencia de este emparejamiento de mayor energía en el ruido de conducción en muestras de LCSO ultrapuras cultivadas en el laboratorio de Ivan Božović de Brookhaven. coautor correspondiente del estudio.

"Cultiva el mejor material del mundo, y nuestras mediciones y conclusiones solo fueron posibles debido a la pureza de esas muestras, ", Dijo Natelson." Él y su equipo crearon dispositivos llamados uniones de túneles, y en lugar de solo mirar la corriente eléctrica, observamos las fluctuaciones en la corriente llamada ruido de disparo.

"En la mayoría de los casos, si mide la corriente, está midiendo un promedio e ignorando el hecho de que la corriente viene en trozos de carga, ", Dijo Natelson." Es algo así como la diferencia entre medir la precipitación diaria promedio en su hogar en lugar de medir la cantidad de gotas de lluvia que están cayendo en un momento dado ".

Midiendo la variación en la cantidad discreta de carga eléctrica que fluye a través de las uniones LCSO, Natelson y sus colegas descubrieron que el paso de electrones individuales no podía explicar la cantidad de carga que fluye a través de las uniones a temperaturas y voltajes muy por encima de la temperatura crítica donde ocurre la superconductividad.

"Parte de la carga debe venir en trozos más grandes, cuales son las parejas, ", dijo." Eso es inusual, porque en un superconductor convencional, una vez que supere la escala de energía característica asociada con la superconductividad, las parejas se destrozan, y solo ve cargas individuales.

"Parece que LCSO contiene otra escala de energía donde los pares se forman pero aún no actúan colectivamente, ", Dijo Natelson." La gente ha ofrecido anteriormente teorías sobre este tipo de cosas, pero esta es la primera evidencia directa de ello ".

Natelson dijo que es demasiado pronto para decir si los físicos pueden hacer uso de los nuevos conocimientos para hacer que los pares fluyan libremente a temperaturas más altas en superconductores no convencionales. Pero Božović dijo que el descubrimiento tiene "profundas implicaciones" para los físicos teóricos que estudian superconductores de alta temperatura y otros tipos de materia condensada.

"En algún sentido, los capítulos de los libros de texto deben ser reescritos, "Dijo Božović." De este estudio, parece que tenemos un nuevo tipo de metal, en el que una fracción significativa de la corriente eléctrica es transportada por pares de electrones. En el lado experimental, Espero que este hallazgo desencadene mucho trabajo de seguimiento, por ejemplo, utilizando la misma técnica para probar otros cupratos o superconductores, aislantes y espesores de capa ".