Investigadores del noreste han utilizado un poderoso modelo de computadora para probar una clase desconcertante de materiales a base de cobre que se pueden convertir en superconductores. Sus hallazgos ofrecen pistas tentadoras para un misterio de décadas, y un paso adelante para la computación cuántica.

La capacidad de un material para dejar fluir la electricidad proviene de la forma en que se organizan los electrones dentro de sus átomos. Dependiendo de estos arreglos, o configuraciones, todos los materiales que existen son aislantes o conductores de electricidad.

Pero cupratos, una clase de materiales misteriosos que están hechos de óxidos de cobre, son famosos en la comunidad científica por tener un problema de identidad que puede convertirlos a la vez en aisladores y conductores.

Bajo condiciones normales, Los cupratos son aislantes:materiales que inhiben el flujo de electrones. Pero con ajustes en su composición, pueden transformarse en los mejores superconductores del mundo.

El hallazgo de este tipo de superconductividad en 1986 le valió a sus descubridores un Premio Nobel en 1987. y fascinó a la comunidad científica con un mundo de posibilidades para mejorar la supercomputación y otras tecnologías cruciales.

Pero con la fascinación llegaron 30 años de desconcierto:los científicos no han podido descifrar por completo la disposición de los electrones que codifica la superconductividad en cupratos.

Mapear la configuración electrónica de estos materiales es posiblemente uno de los desafíos más difíciles de la física teórica. dice Arun Bansil, Profesor Distinguido de Física de la Universidad de Northeastern. Y, él dice, porque la superconductividad es un fenómeno extraño que solo ocurre a temperaturas tan bajas como -300 F (o tan frías como en Urano), Descubrir los mecanismos que lo hacen posible en primer lugar podría ayudar a los investigadores a crear superconductores que funcionen a temperatura ambiente.

Ahora, un equipo de investigadores que incluye a Bansil y Robert Markiewicz, profesor de física en Northeastern, presenta una nueva forma de modelar estos extraños mecanismos que conducen a la superconductividad en los cupratos.

En un estudio publicado en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias , El equipo predijo con precisión el comportamiento de los electrones a medida que se mueven para permitir la superconductividad en un grupo de cupratos conocidos como óxidos de cobre ytrio, bario.

En estos cupratos el estudio encuentra, La superconductividad surge de muchos tipos de configuraciones electrónicas. La friolera de 26 de ellos, ser especifico.

"Durante esta fase de transición, el material se convertirá en esencia en una especie de sopa de diferentes fases, "Dice Bansil." Las personalidades divididas de estos maravillosos materiales se están revelando ahora por primera vez ".

La física dentro de los superconductores de cuprato es intrínsecamente extraña. Markiewicz piensa en esa complejidad como el mito clásico indio de los ciegos y el elefante, que ha sido una broma durante décadas entre los físicos teóricos que estudian los cupratos.

Según el mito, los ciegos se encuentran con un elefante por primera vez, e intenta entender qué es el animal tocándolo. Pero debido a que cada uno de ellos toca solo una parte de su cuerpo:el tronco, cola, o piernas, por ejemplo, todos tienen un concepto diferente (y limitado) de lo que es un elefante.

"Al principio, todos miramos [los cupratos] de diferentes maneras, "Dice Markiewicz." Pero lo sabíamos, tarde o temprano, la forma correcta iba a aparecer ".

Los mecanismos detrás de los cupratos también podrían ayudar a explicar la desconcertante física detrás de otros materiales que se convierten en superconductores a temperaturas extremas. Markiewicz dice:y revolucionar la forma en que se pueden utilizar para habilitar la computación cuántica y otras tecnologías que procesan datos a velocidades ultrarrápidas.

"Estamos tratando de comprender cómo se combinan en los cupratos reales que se utilizan en experimentos, "Dice Markiewicz.

El desafío de modelar superconductores de cuprato se reduce al extraño campo de la mecánica cuántica, que estudia el comportamiento y el movimiento de los pedazos más pequeños de materia, y las extrañas reglas físicas que gobiernan todo en la escala de los átomos.

En cualquier material dado, digamos, el metal en su teléfono inteligente:los electrones contenidos en el espacio de la yema de un dedo podrían equivaler al número uno seguido de 22 ceros, Dice Bansil. Modelar la física de una cantidad tan enorme de electrones ha sido un desafío enorme desde que nació el campo de la mecánica cuántica.

A Bansil le gusta pensar en esta complejidad como mariposas dentro de un frasco que vuelan rápida e inteligentemente para evitar chocar entre sí. En un material conductor, los electrones también se mueven. Y debido a una combinación de fuerzas físicas, también se evitan entre sí. Esas características son el núcleo de lo que dificulta el modelado de materiales de cuprato.

"El problema con los cupratos es que están en el límite entre ser un metal y un aislante, y necesita un cálculo que sea tan bueno que pueda capturar sistemáticamente ese cruce, "Dice Markiewicz." Nuestro nuevo modelo puede capturar este comportamiento ".

El equipo incluye investigadores de la Universidad de Tulane, Universidad de Tecnología Lappeenranta en Finlandia, y la Universidad de Temple. Los investigadores son los primeros en modelar los estados electrónicos en los cupratos sin agregar parámetros manualmente a sus cálculos. que los físicos han tenido que hacer en el pasado.

Para hacer eso, los investigadores modelaron la energía de los átomos de itrio, bario, óxidos de cobre en sus niveles más bajos. Hacer eso permite a los investigadores rastrear electrones mientras se excitan y se mueven, lo que a su vez ayuda a describir los mecanismos que apoyan la transición crítica a la superconductividad.

Esa transición conocida como la fase pseudogap en el material, podría describirse simplemente como una puerta, Dice Bansil. En un aislante la estructura del material es como una puerta cerrada que no deja pasar a nadie. Si la puerta está completamente abierta, como lo estaría para un conductor, los electrones pasan fácilmente.

Pero en los materiales que experimentan esta fase de pseudogap, esa puerta estaría ligeramente abierta. La dinámica de lo que transforma esa puerta en una puerta realmente abierta de par en par (o, superconductor) sigue siendo un misterio, pero el nuevo modelo captura 26 configuraciones de electrones que podrían hacerlo.

"Con nuestra capacidad para realizar ahora este tipo de modelado sin parámetros de primeros principios, estamos en condiciones de llegar más lejos, y, con suerte, comenzará a comprender un poco mejor esta fase de pseudogap, "Dice Bansil.