Durante años, los físicos han intentado descifrar los detalles electrónicos de los superconductores de alta temperatura. Estos materiales podrían revolucionar la transmisión de energía y la electrónica debido a su capacidad para transportar corriente eléctrica sin pérdida de energía cuando se enfrían por debajo de cierta temperatura. Los detalles de la estructura electrónica microscópica de los superconductores de "alta Tc" podrían revelar cómo las diferentes fases (estados de la materia) compiten o interactúan con la superconductividad, un estado en el que los electrones con cargas similares superan de alguna manera su repulsión para emparejarse y fluir libremente. El objetivo final es comprender cómo hacer que estos materiales actúen como superconductores sin necesidad de sobreenfriamiento.

Ahora, los científicos que estudian superconductores de alta Tc en el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. Tienen evidencia definitiva de la existencia de un estado de la materia conocido como onda de densidad de pares, que los teóricos predijeron por primera vez hace unos 50 años. Sus resultados, publicado en la revista Naturaleza , muestran que esta fase coexiste con la superconductividad en un conocido superconductor de óxido de cobre a base de bismuto.

"Esta es la primera evidencia espectroscópica directa de que la onda de densidad de pares existe en un campo magnético cero, "dijo Kazuhiro Fujita, el físico que dirigió la investigación en Brookhaven Lab. "Hemos identificado que el par de ondas de densidad juega un papel importante en este material. Nuestros resultados muestran que estos dos estados de la materia, pares de ondas de densidad y superconductividad, coexisten e interactúan".

Los resultados del equipo provienen de mediciones de espectros de tunelización de electrones individuales utilizando un microscopio de tunelización de exploración de imágenes espectroscópicas de última generación (SI-STM) en el laboratorio OASIS de Brookhaven.

"Lo que medimos es cuántos electrones en una ubicación dada 'hacen un túnel' desde la superficie de la muestra hasta la punta del electrodo superconductor del SI-STM y viceversa a medida que variamos la energía (voltaje) entre la muestra y la punta, "Dijo Fujita." Con esas mediciones podemos trazar la red cristalina y la densidad de electrones de los estados, así como el número de electrones que tenemos en una ubicación determinada ".

Cuando el material no es superconductor, los electrones existen en un espectro continuo de energías, cada uno propagándose en su propia longitud de onda única. Pero cuando baja la temperatura los electrones comienzan a interactuar, apareándose a medida que el material entra en el estado superconductor. Cuando esto pasa, los científicos observan una brecha en el espectro energético, creado por la ausencia de electrones dentro de ese rango de energía particular.

"La energía de la brecha es igual a la energía que se necesita para separar los pares de electrones (lo que te dice qué tan unidos estaban), "Dijo Fujita.

Mientras los científicos escaneaban la superficie del material, detectaron estructuras de brechas de energía de modulación espacial. Estas modulaciones en la brecha de energía revelaron que la fuerza de unión de los electrones varía, aumentando al máximo, luego se sumerge al mínimo, con este patrón repitiéndose cada ocho átomos a lo largo de la superficie de la red cristalina dispuesta regularmente.

Este trabajo se basó en mediciones anteriores que mostraban que la corriente creada por pares de electrones que penetraban en el microscopio también variaba de la misma manera periódica. Esas modulaciones en corriente fueron la primera evidencia, aunque algo circunstancial, que la onda de densidad de pares estaba presente.

"Las modulaciones en la corriente de los electrones emparejados es un indicador de que hay modulaciones en la fuerza con la que están emparejados los electrones en la superficie. Pero esta vez, midiendo el espectro de energía de electrones individuales, logramos medir directamente la brecha de modulación en los espectros donde se produce el emparejamiento. Las modulaciones en el tamaño de esos huecos son evidencia espectroscópica directa de que existe el estado de onda de densidad de pares, "Dijo Fujita.

Los nuevos resultados también incluyeron evidencia de otras firmas clave de la onda de densidad de pares, incluidos los defectos llamados "semivórtices", así como sus interacciones con la fase superconductora.

Además, las modulaciones de brecha de energía reflejan otras investigaciones del Brookhaven Lab que indican la existencia de patrones moduladores de características electrónicas y magnéticas, a veces denominadas "franjas", que también ocurren con una periodicidad de ocho unidades de celda en ciertos superconductores de cuprato de alta Tc.

"Juntos, estos hallazgos indican que la onda de densidad de pares juega un papel importante en las propiedades superconductoras de estos materiales. Comprender este estado puede ayudarnos a entender el complejo diagrama de fase que traza cómo emergen las propiedades superconductoras en diferentes condiciones". incluida la temperatura, campo magnético, y densidad de portadores de carga, "Dijo Fujita.