Cuarenta y cinco años después de que se descubriera por primera vez la superconductividad en los metales, la física que lo originó finalmente se explicó en 1957 en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, en la teoría de superconductividad de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS).

Treinta años después de ese logro de referencia, un nuevo misterio al que se enfrentaron los físicos de la materia condensada:el descubrimiento en 1987 de óxido de cobre o superconductores de alta temperatura. Ahora comúnmente conocido como cupratos, esta nueva clase de materiales demostró una física que quedaba completamente fuera de la teoría BCS. Los cupratos son aislantes a temperatura ambiente, pero la transición a una fase superconductora a una temperatura crítica mucho más alta que los superconductores BCS tradicionales. (La temperatura crítica de los cupratos puede ser tan alta como 170 Kelvin, eso es -153.67 ° F, a diferencia de la temperatura crítica mucho más baja de 4 Kelvin, o -452.47 ° F, para el mercurio, un superconductor BCS.)

El descubrimiento de superconductores de alta temperatura, ahora hace más de 30 años, parecía prometer que una serie de nuevas tecnologías estaban en el horizonte. Después de todo, la fase superconductora de los cupratos se puede alcanzar utilizando nitrógeno líquido como refrigerante, en lugar del helio líquido mucho más costoso y raro que se requiere para enfriar los superconductores BCS. Pero hasta que se pueda explicar teóricamente el comportamiento superconductor inusual e inesperado de estos aislantes, esa promesa sigue sin cumplirse en gran medida.

Una avalancha de investigación física tanto experimental como teórica ha buscado descubrir una explicación satisfactoria de la superconductividad en los cupratos. Pero hoy, esta sigue siendo quizás la cuestión sin resolver más urgente en la física de la materia condensada.

Ahora, un equipo de físicos teóricos del Instituto de Teoría de la Materia Condensada (ICMT) en el Departamento de Física de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, dirigido por el profesor de física de Illinois Philip Phillips, ha resuelto exactamente por primera vez un modelo representativo del problema del cuprato, el modelo 1992 de Hatsugai-Kohmoto (HK) de un aislante Mott dopado.

El equipo ha publicado sus hallazgos en línea en la revista. Física de la naturaleza el 27 de julio 2020.

"Aparte de la diferencia obvia en las temperaturas superconductoras, los cupratos comienzan su vida como aislantes Mott, en el que los electrones no se mueven independientemente como en un metal, sino que están interactuando fuertemente, ", explica Phillips." Son las fuertes interacciones las que los hacen aislar tan bien ".

En su investigación, El equipo de Phillips resuelve exactamente el análogo del problema de 'emparejamiento de Cooper' de la teoría BCS, pero ahora para un aislante Mott dopado.

¿Qué es el "emparejamiento de Cooper"? Leon Cooper demostró este elemento clave de la teoría BCS:el estado normal de un metal superconductor tradicional es inestable a una interacción atractiva entre pares de electrones. A la temperatura crítica de un superconductor BCS, Los pares de electrones de Cooper viajan sin resistencia a través del metal:¡esto es superconductividad!

"Este es el primer artículo que muestra exactamente que existe una inestabilidad de Cooper incluso en un modelo de juguete de un aislante Mott dopado, ", señala Phillips." A partir de esto, mostramos que existe superconductividad y que las propiedades difieren drásticamente de la teoría estándar de BCS. Este problema había resultado tan difícil, sólo la fenomenología numérica o sugerente era posible antes de nuestro trabajo ".

Phillips le da crédito al becario postdoctoral de ICMT, Edwin Huang, por escribir el análogo de la función de onda BCS para el estado superconductor, para el problema de Mott.

"La función de onda es la clave que debe tener para decir que un problema está resuelto, ", Dice Phillips." La función de onda de John Robert Schrieffer resultó ser el caballo de batalla computacional de toda la teoría BCS. Todos los cálculos se hicieron con él. Para problemas de interacción de electrones, es muy difícil escribir una función de onda. De hecho, Hasta ahora solo se han calculado dos funciones de onda que describen estados interactivos de la materia, uno de Robert Laughlin en el efecto Hall cuántico fraccional, y el otro de Schrieffer en el contexto de la teoría BCS. Así que el hecho de que Edwin haya podido hacer esto para este problema es una gran hazaña ".

Cuando se le preguntó por qué los cupratos han demostrado ser un misterio para los físicos, Phillips explica, "De hecho, son las fuertes interacciones en el estado de Mott las que han impedido una solución al problema de la superconductividad en los cupratos. Ha sido difícil incluso demostrar el análogo del problema de emparejamiento de Cooper en cualquier modelo de un aislante Mott dopado ".

La función de onda del aislador Mott de Huang permitió a Phillips, Huang, y el estudiante graduado de física Luke Yeo para resolver un rompecabezas experimental clave en los cupratos, conocido como "el cambio de color". A diferencia de los metales, los cupratos exhiben una absorción mejorada de radiación a bajas energías con una disminución concomitante en la absorción a altas energías. El equipo de Phillips ha demostrado que este comportamiento surge de los restos de lo que Phillips llama "física Mott" o "Mottness" en el estado superconductor.

Mottness es un término acuñado por Phillips para encapsular ciertas propiedades colectivas de los aislantes Mott, predicho por primera vez poco después de la Segunda Guerra Mundial por el físico británico y premio Nobel Nevill Francis Mott.

Además, los investigadores han demostrado que la densidad de superfluidos, que se ha observado que se suprime en los cupratos en relación con su valor en metales, es también una consecuencia directa del Mottness del material.

Más lejos, El equipo de Phillips ha ido más allá del problema de Cooper para demostrar que el modelo tiene propiedades superconductoras que se encuentran fuera de la teoría BCS.

"Por ejemplo, "Explica Phillips, "la relación entre la temperatura de transición y la brecha de energía en el estado superconductor supera ampliamente la de la teoría BCS. Además, nuestro trabajo muestra que las excitaciones elementales en el estado superconductor también se encuentran fuera del paradigma BCS, ya que surgen de la amplia gama de escalas de energía intrínsecas al estado de Mott ".