Las imágenes de luz polarizada muestran a los investigadores cómo los electrones, representado por cruces rojas, en sus muestras de prueba se comportan en diferentes circunstancias. Crédito:© 2020 Okazaki et al.
La superconductividad es un fenómeno en el que un circuito eléctrico pierde su resistencia y se vuelve extremadamente eficiente bajo ciertas condiciones. Hay diferentes formas en las que esto puede suceder, que se pensaba que eran incompatibles. Por primera vez, Los investigadores han descubierto un puente entre dos de estos métodos para lograr la superconductividad. Este nuevo conocimiento podría conducir a una comprensión más general del fenómeno, y un día a las aplicaciones.
Hay tres estados bien conocidos de la materia:sólido, líquido y gas. Hay un cuarto estado de la materia llamado plasma, que es como un gas que se calentó tanto que todos sus átomos constituyentes se separaron, dejando atrás un lío supercaliente de partículas subatómicas. Pero hay un quinto estado de la materia en el extremo completamente opuesto del termómetro conocido como condensado de Bose-Einstein (BEC).
"Un BEC es un estado único de la materia, ya que no está hecho de partículas, sino más bien olas, ", dijo el profesor asociado Kozo Okazaki del Instituto de Física del Estado Sólido de la Universidad de Tokio." A medida que se enfrían casi al cero absoluto, los átomos de ciertos materiales se esparcen por el espacio. Esta mancha aumenta hasta que los átomos, ahora más como ondas que partículas, se superponen, volviéndose indistinguibles unos de otros. La materia resultante se comporta como si fuera una sola entidad con nuevas propiedades que el sólido anterior, carecían de estados líquidos o gaseosos, como la superconducción. Hasta hace poco, los BEC superconductores eran puramente teóricos, pero ahora lo hemos demostrado en el laboratorio con un material novedoso basado en hierro y selenio (un elemento no metálico) ".
Esta es la primera vez que se ha verificado experimentalmente que un BEC funciona como superconductor; sin embargo, otras manifestaciones de la materia, o regímenes, también puede dar lugar a una superconducción. El régimen de Bardeen-Cooper-Shrieffer (BCS) es una disposición de la materia tal que cuando se enfría a cerca del cero absoluto, los átomos constituyentes se ralentizan y se alinean, lo que permite que los electrones pasen más fácilmente. Esto reduce efectivamente la resistencia eléctrica de dichos materiales a cero. Tanto BCS como BEC requieren condiciones de frío glacial y ambos implican que los átomos se desaceleren. Pero estos regímenes son, por lo demás, bastante diferentes. Por mucho tiempo, Los investigadores han creído que se podría alcanzar una comprensión más general de la superconducción si se pudiera encontrar que estos regímenes se superpusieran de alguna manera.
Estas líneas de colores no son solo para mostrar, les dicen a los investigadores por debajo de qué temperatura, en este caso unos 10 kelvin, una muestra presenta un comportamiento superconductor. Crédito:© 2020 Okazaki et al.
"Demostrar la superconductividad de las BEC era un medio para lograr un fin; realmente esperábamos explorar la superposición entre las BEC y las BCS, ", dijo Okazaki." Fue extremadamente desafiante, pero nuestro aparato y método de observación únicos lo han verificado:hay una transición suave entre estos regímenes. Y esto insinúa una teoría subyacente más general detrás de la superconducción. Es un momento emocionante para trabajar en este campo ".
Okazaki y su equipo utilizaron el método de espectroscopia de fotoemisión basada en láser de resolución de alta energía y temperatura ultrabaja para observar el comportamiento de los electrones durante la transición de un material de BCS a BEC. Los electrones se comportan de manera diferente en los dos regímenes y el cambio entre ellos ayuda a llenar algunos vacíos en el panorama más amplio de la superconducción.
Sin embargo, la superconducción no es solo una curiosidad de laboratorio; Los dispositivos superconductores como los electroimanes ya se utilizan en aplicaciones, el Gran Colisionador de Hadrones, el acelerador de partículas más grande del mundo, siendo uno de esos ejemplos. Sin embargo, como se explicó anteriormente, estos requieren temperaturas ultra frías que prohíben el desarrollo de dispositivos superconductores que podríamos esperar ver todos los días. Por lo tanto, no es de extrañar que haya un gran interés en encontrar formas de formar superconductores a temperaturas más altas, quizás algún día incluso a temperatura ambiente.
"Con evidencia concluyente de BEC superconductores, Creo que impulsará a otros investigadores a explorar la superconducción a temperaturas cada vez más altas, "dijo Okazaki." Puede sonar a ciencia ficción por ahora, pero si la superconducción puede ocurrir cerca de la temperatura ambiente, nuestra capacidad de producir energía aumentaría enormemente, y nuestras necesidades energéticas disminuirían ".
