Investigadores de la Facultad de Física de la Universidad de Bristol utilizaron algunos de los campos magnéticos continuos más fuertes de Europa para descubrir evidencia de portadores de carga exóticos en el estado metálico de superconductores de alta temperatura de óxido de cobre (cupratos de alta Tc). Sus resultados han sido publicados esta semana en Naturaleza . En una publicación relacionada en SciPost Physics la semana pasada, el equipo postuló que son estos exóticos portadores de carga los que forman los pares superconductores, en marcado contraste con las expectativas de la teoría convencional.

La superconductividad es un fenómeno fascinante en el que, por debajo de la llamada temperatura crítica, un material pierde toda su resistencia a las corrientes eléctricas. En ciertos materiales, a bajas temperaturas, todos los electrones están entrelazados en un solo, estado cuántico macroscópico, lo que significa que ya no se comportan como partículas individuales sino como un colectivo, lo que resulta en superconductividad. La teoría general de este comportamiento colectivo de electrones se conoce desde hace mucho tiempo, pero una familia de materiales, los cupratos, se niega a ajustarse al paradigma. También poseen las temperaturas de transición superconductoras a presión ambiental más altas que se conocen. Durante mucho tiempo se pensó que para estos materiales, el mecanismo que 'pega entre sí' los electrones debe ser especial, pero recientemente la atención ha cambiado y ahora los físicos investigan los estados no superconductores de los cupratos, con la esperanza de encontrar pistas sobre el origen de la superconductividad de alta temperatura y su distinción de los superconductores normales.

Superconductividad de alta temperatura

La mayoría de los superconductores, cuando se calienta para superar su temperatura crítica, transformarse en metales "ordinarios". El entrelazamiento cuántico que causa el comportamiento colectivo de los electrones se desvanece, y los electrones comienzan a comportarse como un "gas" ordinario de partículas cargadas.

Los cupratos son especiales, sin embargo. Primeramente, como se ha mencionado más arriba, porque su temperatura crítica es considerablemente más alta que la de otros superconductores. En segundo lugar, tienen propiedades medibles muy especiales incluso en su "fase metálica". En 2009, El físico profesor Nigel Hussey y sus colaboradores observaron experimentalmente que los electrones en estos materiales forman un nuevo tipo de estructura, diferente al de los metales ordinarios, estableciendo así un nuevo paradigma que los científicos ahora llaman el "metal extraño". Específicamente, se encontró que la resistividad a bajas temperaturas era proporcional a la temperatura, no en un punto singular en el diagrama de fase de temperatura versus dopaje (como se esperaba para un metal cercano a un punto crítico cuántico magnético) sino en un rango extendido de dopaje. Esta criticidad extendida se convirtió en una característica definitoria de la fase del 'metal extraño' de la cual emerge la superconductividad en los cupratos.

Magnetorresistencia en un metal extraño

En el primero de estos nuevos informes, Becario del Premio de Doctorado EPSRC Jakes Ayres y Ph.D. estudiante Maarten Berben (basado en HFML-FELIX en Nijmegen, Holanda) estudió la magnetorresistencia (el cambio de resistividad en un campo magnético) y descubrió algo inesperado. En contraste con la respuesta de los metales habituales, se encontró que la magnetorresistencia sigue una respuesta peculiar en la que el campo magnético y la temperatura aparecen en cuadratura. Tal comportamiento solo se había observado previamente en un punto crítico cuántico singular, pero aquí, como con la resistividad de campo cero, la forma en cuadratura de la magnetorresistencia se observó en una amplia gama de dopaje. Es más, Se encontró que la fuerza de la magnetorresistencia era dos órdenes de magnitud mayor que la esperada por el movimiento orbital convencional e insensible al nivel de desorden en el material así como a la dirección del campo magnético en relación con la corriente eléctrica. Estas características en los datos, junto con la escala de cuadratura, implicaba que el origen de esta magnetorresistencia inusual no era el movimiento orbital coherente de los portadores metálicos convencionales, sino más bien un no orbital, movimiento incoherente de un tipo diferente de portador cuya energía se disipaba a la velocidad máxima permitida por la mecánica cuántica.

De máxima a mínima disipación

El profesor Hussey dijo:"Teniendo en cuenta las mediciones anteriores del efecto Hall, teníamos pruebas convincentes de dos tipos distintos de portadores en cupratos:uno convencional, el otro 'extraño'. Entonces, la pregunta clave era ¿qué tipo era responsable de la superconductividad de alta temperatura? Nuestro equipo dirigido por Matija Čulo y Caitlin Duffy luego comparó la evolución de la densidad de los portadores convencionales en el estado normal y la densidad de pares en el estado superconductor y llegó a una conclusión fascinante; que el estado superconductor en cupratos está compuesto de hecho por aquellos exóticos portadores que experimentan tal disipación máxima en el estado metálico. Esto está muy lejos de la teoría original de la superconductividad y sugiere que se necesita un paradigma completamente nuevo. uno en el que el extraño metal cobra protagonismo ".