Creando un material bidimensional, solo unos pocos átomos de espesor, es a menudo un proceso arduo que requiere equipos sofisticados. Así que los científicos se sorprendieron al ver que los charcos en 2D emergen dentro de un superconductor tridimensional, un material que permite que los electrones viajen con una eficiencia del 100% y sin resistencia, sin que se les solicite.

Dentro de esos charcos electrones superconductores actuaron como si estuvieran confinados dentro de un increíblemente delgado, plano en forma de hoja, una situación que les obliga a pasar de alguna manera a otra dimensión, donde se aplican diferentes reglas de la física cuántica.

"Este es un ejemplo tentador de comportamiento emergente, que a menudo es difícil o imposible de replicar al intentar diseñarlo desde cero, "dijo Hari Manoharan, profesor de la Universidad de Stanford e investigador del Instituto de Ciencias de Materiales y Energía de Stanford (SIMES) en el Laboratorio Nacional de Aceleración SLAC del Departamento de Energía, quien dirigió la investigación.

"Es como si cuando se le diera el poder de superconducir, " él dijo, "Los electrones 3D eligen por sí mismos vivir en un mundo 2D".

El equipo de investigación llama a este nuevo fenómeno "superconductividad interdimensional, "y en un informe en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias hoy dia, sugieren que así es como los superconductores 3D se reorganizan justo antes de sufrir un cambio abrupto a un estado aislante, donde los electrones están confinados a sus átomos de origen y no pueden moverse en absoluto.

"Lo que encontramos fue un sistema en el que los electrones se comportan de formas inesperadas. Esa es la belleza de la física, "dijo Carolina Parra, un investigador postdoctoral en SLAC y Stanford en el momento del estudio que llevó a cabo los experimentos que llevaron a la visualización de este resultado intrigante. "Tuvimos mucha suerte de encontrar este comportamiento".

Electrones actuando de manera extraña

Aunque la superconductividad se descubrió hace más de un siglo, su utilidad estaba limitada por el hecho de que los materiales se volvían superconductores sólo a temperaturas cercanas a las del espacio profundo.

Entonces, el anuncio en 1986 de que los científicos habían descubierto una nueva e inesperada clase de materiales superconductores que operaban a temperaturas mucho más altas, aunque todavía muy frías, desencadenó un tsunami de investigación que continúa hasta el día de hoy. con el objetivo de averiguar cómo funcionan los nuevos materiales y desarrollar versiones que funcionen a una temperatura más cercana a la ambiente para aplicaciones como líneas eléctricas perfectamente eficientes y trenes de levitación magnética.

Este estudio comenzó con un superconductor de alta temperatura llamado BPBO por sus cuatro ingredientes atómicos:bario, dirigir, bismuto y oxígeno. Fue sintetizado en el laboratorio del profesor de Stanford e investigador del SIMES Ian Fisher por Paula Giraldo-Gallo, un doctorado estudiante en ese momento.

Como los investigadores lo sometieron a pruebas de rutina, incluida la determinación de la temperatura de transición a la que cambia entre una fase superconductora y una aislante, como el agua que cambia a vapor o hielo, se dieron cuenta de que sus datos mostraban que los electrones se comportaban como si estuvieran confinados a ultrafinos, Capas o rayas 2D dentro del material. Esto fue un acertijo porque BPBO es un superconductor 3D cuyos electrones normalmente son libres de moverse en la dirección que deseen.

Intrigado, El equipo de Manoharan echó un vistazo más de cerca con un microscopio de túnel de barrido, o STM:un instrumento que puede identificar e incluso mover átomos individuales en las pocas capas atómicas superiores de un material.

Charcos interactivos

Las rayas ellos descubrieron, parecía no tener relación con la forma en que estaban organizados los átomos del material o con pequeñas protuberancias y caídas en su superficie.

"En lugar de, las franjas eran capas donde los electrones se comportan como si estuvieran confinados a 2D, áreas en forma de charcos en el material, "Dijo Parra." La distancia entre los charcos es lo suficientemente corta como para que los electrones puedan 'ver' e interactuar entre sí de una manera que les permita moverse sin resistencia, que es el sello distintivo de la superconductividad ".

Los charcos en 2D surgieron cuando los científicos ajustaron cuidadosamente la temperatura y otras condiciones hacia el punto de transición donde el superconductor se convertiría en un aislante.

Sus observaciones coinciden estrechamente con una teoría de la "granularidad electrónica emergente" en superconductores, desarrollado por Nandini Trivedi de la Universidad Estatal de Ohio y sus colegas.

"Las predicciones que habíamos hecho iban en contra del paradigma estándar de los superconductores, "Trivedi dijo." Por lo general, cuanto más fuerte es un superconductor, cuanta más energía se necesita para romper el enlace entre sus pares de electrones superconductores, un factor que llamamos brecha de energía. Pero mi grupo había predicho que en este tipo particular de superconductor desordenado, lo contrario sería cierto:el sistema formaría charcos emergentes donde la superconductividad era fuerte pero los pares podrían romperse con mucha menos energía de la esperada.

"¡Fue muy emocionante ver que esas predicciones fueron confirmadas por las mediciones STM del grupo de Stanford!"

Difundir la ciencia

Los resultados tienen implicaciones prácticas para la elaboración de materiales 2D, Dijo Parra.

"La mayoría de los métodos para fabricar materiales 2D son enfoques de ingeniería, como hacer crecer películas con unas pocas capas atómicas de espesor o crear una interfaz nítida entre dos materiales y confinar un estado 2D allí, "Ella dijo." Esto ofrece una forma adicional de llegar a estos estados superconductores 2D. Es más barato, no necesita equipos sofisticados que requieran temperaturas muy bajas y no se necesitan días ni semanas. La única parte complicada sería conseguir que la composición del material sea la correcta ".

Parra ahora dirige un laboratorio en la Universidad Técnica Federico Santa María de Valparaíso, Chile, centrándose en estudios interdisciplinarios de materiales biológicos a nanoescala. Recientemente ganó una subvención para adquirir y operar el primer microscopio de túnel de barrido de baja temperatura en América del Sur. que piensa utilizar para continuar con esta línea de investigación.

"Cuando tengo este equipo en el laboratorio, " ella dijo, "Lo conectaré con todo lo que aprendí en el laboratorio de Hari y lo usaré para enseñar a una nueva generación de investigadores que vamos a tener trabajando en nanociencia y nanotecnología en Chile".