Imagen de microscopio electrónico de color falso de una microestructura (violeta) contactada a través de pistas de oro (amarillo) después de reabrir la celda del yunque de diamante. Las esferas de rubí (rojas) se utilizan para detectar la presión en la cámara de muestra mediante espectroscopia de fluorescencia láser. Las partículas de escombros son restos del medio de presión y del dispositivo de presión. Crédito:Toni Helm / HZDR
Un equipo internacional de científicos de Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), el Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos, y colegas de EE. UU. y Suiza han combinado con éxito varias condiciones experimentales extremas de una manera completamente única, revelando conocimientos interesantes sobre las misteriosas propiedades conductoras del metal cristalino CeRhIn 5 . En el diario Comunicaciones de la naturaleza , informan sobre su exploración de regiones previamente inexploradas del diagrama de fase de este metal, que se considera un sistema modelo prometedor para comprender los superconductores no convencionales.
"Primero, aplicamos una fina capa de oro a un monocristal microscópicamente pequeño. Luego usamos un haz de iones para tallar pequeñas microestructuras. En los extremos de estas estructuras, adjuntamos cintas de platino ultrafinas para medir la resistencia en diferentes direcciones bajo presiones extremadamente altas, que generamos con una celda de presión de yunque de diamante. Además, aplicamos campos magnéticos muy potentes a la muestra a temperaturas cercanas al cero absoluto ".
Para la persona promedio, esto puede sonar como la fantasía caprichosa de un físico demasiado entusiasta, Pero, de hecho, es una descripción real del trabajo experimental realizado por el Dr. Toni Helm del Laboratorio de Alto Campo Magnético (HLD) de HZDR y sus colegas de Tallahassee, Los Alamos, Lausana y Dresde. Bien, al menos en parte, porque esta descripción solo insinúa los muchos desafíos involucrados en la combinación de tales extremos al mismo tiempo. Este gran esfuerzo es, por supuesto, no es un fin en sí mismo:los investigadores están tratando de llegar al fondo de algunas cuestiones fundamentales de la física del estado sólido.
La muestra estudiada es cer-rodio-indio-cinco (CeRhIn 5 ), un metal con propiedades sorprendentes que aún no se comprenden del todo. Los científicos lo describen como un conductor eléctrico poco convencional con portadores de carga extremadamente pesados, en el cual, bajo ciertas condiciones, la corriente eléctrica puede fluir sin pérdidas. Se supone que la clave de esta superconductividad reside en las propiedades magnéticas del metal. Los temas centrales investigados por los físicos que trabajan con tales sistemas de electrones correlacionados incluyen:¿Cómo se organizan colectivamente los electrones pesados? ¿Cómo puede esto causar magnetismo y superconductividad? ¿Y cuál es la relación entre estos fenómenos físicos?
Una expedición por el diagrama de fases.
Los físicos están particularmente interesados en el diagrama de fase del metal, una especie de mapa cuyas coordenadas son la presión, intensidad del campo magnético, y temperatura. Para que el mapa sea significativo, los científicos tienen que descubrir tantas ubicaciones como sea posible en este sistema de coordenadas, como un cartógrafo que explora un territorio desconocido. De hecho, el diagrama emergente no es diferente al terreno de un paisaje.
A medida que reducen la temperatura a casi cuatro grados por encima del cero absoluto, los físicos observan el orden magnético en la muestra de metal. En este punto, tienen varias opciones:pueden enfriar la muestra aún más y exponerla a altas presiones, forzando una transición al estado superconductor. Si, por otra parte, solo aumentan el campo magnético externo a 600, 000 veces la fuerza del campo magnético terrestre, también se suprime el orden magnético; sin embargo, el material entra en un estado llamado "electrónicamente nemático".
Este término está tomado de la física de los cristales líquidos, donde describe una cierta orientación espacial de moléculas con un orden de largo alcance en áreas más grandes. Los científicos asumen que el estado nemático electrónico está estrechamente relacionado con el fenómeno de la superconductividad no convencional. El entorno experimental de HLD ofrece las condiciones óptimas para un proyecto de medición tan complejo. Los grandes imanes generan pulsos relativamente duraderos y ofrecen suficiente espacio para métodos de medición complejos en condiciones extremas.
Los experimentos al límite permiten vislumbrar el futuro
Los experimentos tienen algunas características especiales adicionales. Por ejemplo, Trabajar con campos magnéticos de alto pulso crea corrientes de Foucault en las partes metálicas de la configuración experimental, que puede generar calor no deseado. Por lo tanto, los científicos han fabricado los componentes centrales de un material plástico especial que suprime este efecto y funciona de manera confiable cerca del cero absoluto. A través de la microfabricación por haces de iones enfocados, producen una geometría de muestra que garantiza una señal de medición de alta calidad.
"La microestructuración será mucho más importante en experimentos futuros. Es por eso que llevamos esta tecnología al laboratorio de inmediato, "dice Helm, y agregó:"Así que ahora tenemos formas de acceder y penetrar gradualmente en dimensiones donde los efectos de la mecánica cuántica juegan un papel importante". También está seguro de que los conocimientos que él y su equipo han adquirido contribuirán a la investigación de superconductores de alta temperatura o tecnologías cuánticas novedosas.
