Cuando algunos materiales se enfrían a cierta temperatura, pierden resistencia eléctrica, convirtiéndose en superconductores.

En este estado, una carga eléctrica puede atravesar el material indefinidamente, lo que convierte a los superconductores en un recurso valioso para transmitir grandes volúmenes de electricidad y otras aplicaciones. Los superconductores transportan electricidad entre Long Island y Manhattan. Se utilizan en dispositivos de imágenes médicas, como máquinas de resonancia magnética, en aceleradores de partículas y en imanes como los que se utilizan en los trenes de levitación magnética. Incluso materiales inesperados, como ciertos materiales cerámicos, pueden convertirse en superconductores cuando se enfrían lo suficiente.

Pero los científicos no han entendido previamente qué ocurre en un material para convertirlo en un superconductor. Específicamente, no se ha entendido previamente cómo funciona la superconductividad a alta temperatura, que ocurre en algunos materiales de óxido de cobre. Una teoría de 1966 que examinó un tipo diferente de superconductores postuló que los electrones que giran en direcciones opuestas se unen para formar lo que se llama un par de Cooper y permiten que la corriente eléctrica atraviese el material libremente.

Un par de estudios dirigidos por la Universidad de Michigan examinaron cómo funciona la superconductividad y encontraron, en el primer artículo, que aproximadamente el 50 % de la superconductividad se puede atribuir a la teoría de 1966, pero la realidad, examinada en el segundo artículo, es un poco más Complicado. Los estudios, dirigidos por el recién graduado de doctorado de la UM Xinyang Dong y el físico de la UM Emanuel Gull, se publican en Nature Physics. y las Actas de la Academia Nacional de Ciencias.

Los electrones que flotan en un cristal necesitan algo que los una, dijo Gull. Una vez que tienes dos electrones unidos, construyen un estado superconductor. Pero, ¿qué une a estos electrones? Los electrones normalmente se repelen entre sí, pero la teoría de 1966 sugirió que en un cristal con fuertes efectos cuánticos, la repulsión electrón-electrón está siendo filtrada o absorbida por los cristales.

Mientras que la repulsión de electrones es absorbida por el cristal, surge una atracción opuesta de las propiedades de giro de los electrones, y hace que los electrones se unan en pares de Cooper. Esto subyace a la falta de resistividad electrónica. Sin embargo, la teoría no tiene en cuenta los efectos cuánticos complejos en estos cristales.

"Esa es una teoría muy simple y, ya sabes, ha existido durante mucho tiempo. Básicamente fue el mensaje teórico de los años 80, 90 y 2000", dijo Gull. "Podrías escribir estas teorías, pero en realidad no podrías calcular nada; si quisieras, tendrías que resolver sistemas cuánticos que tienen muchos grados de libertad. Y ahora, mi estudiante de posgrado escribió códigos que hacen exactamente eso".

Para el artículo publicado en Nature Physics , Dong probó esta teoría mediante el uso de supercomputadoras para aplicar lo que se llama el método de agrupamiento dinámico a un superconductor basado en óxido de cobre. En este método, los electrones y sus fluctuaciones de espín se calculan juntos, lo que permite a los investigadores realizar un análisis cuantitativo de las interacciones entre los electrones y su espín.

Para hacer esto, Dong examinó las regiones donde el material se convierte en un superconductor y examinó la cantidad principal de fluctuación de espín llamada susceptibilidad de espín magnético. Calculó la susceptibilidad y calculó la región y junto con Gull y Andrew Mills, físico de la Universidad de Columbia, analizaron la región.

Con esta susceptibilidad al espín, los investigadores pudieron verificar la predicción de la teoría simple de la fluctuación del espín. Descubrieron que esta teoría era consistente con la actividad de superconductividad, en aproximadamente un 50%. Es decir, aproximadamente la mitad de la superconductividad de un material puede explicarse mediante la teoría de la fluctuación.

"Ese es un gran resultado porque, por un lado, hemos demostrado que esta teoría funciona, pero también que en realidad no captura todo lo que está sucediendo", dijo Gull. "La pregunta, por supuesto, es qué sucede con la otra mitad, y este es el lugar donde el marco teórico de la década de 1960 era demasiado simple".

En un artículo publicado en PNAS , Gull y Dong exploraron esa otra mitad. Regresaron para examinar los sistemas de electrones dentro de un modelo simplificado de un cristal superconductor. En este cristal de óxido de cobre hay capas de enlaces cobre-oxígeno. Los átomos de cobre forman una red cuadrada y, en esta configuración, a cada átomo le falta un solo electrón.

Cuando los físicos agregan un elemento como el estroncio, que compartirá un electrón con la capa de cobre y oxígeno, el material se convierte en un conductor. En este caso, el estroncio se denomina átomo dopante. Inicialmente, cuantos más portadores de carga agregue, más superconductor se volverá el material. Pero si agrega demasiados portadores de carga, la propiedad superconductora desaparece.

Al observar este material, Gull y sus coautores examinaron no solo el giro de los electrones, sino también las fluctuaciones de carga.

Gull dice que las fluctuaciones que son convenientes para comprender el sistema se muestran de dos maneras:la primera es que la señal está en un solo punto de impulso y la segunda es que la señal está en una frecuencia baja. Una excitación de baja frecuencia de momento único significa que hay una excitación de larga duración que ayuda a los investigadores a ver y describir el sistema.

Los investigadores descubrieron que las fluctuaciones antiferromagnéticas, cuando los electrones giran en la dirección opuesta, representaban la mayor parte de la superconductividad. Sin embargo, también vieron fluctuaciones ferromagnéticas que contrarrestaron las fluctuaciones antiferromagnéticas, lo que finalmente los llevó de vuelta al hallazgo del 50 %.

"Cuando tienes un sistema complicado de muchos electrones con muchas partículas cuánticas, no hay razón por la que deba haber una imagen simple que lo explique todo", dijo Gull. "De hecho, nos sorprende que un escenario como el de la teoría de 1966 capte bastantes cosas, pero no todo".

Gull dice que los próximos pasos serán ver si sus hallazgos pueden ayudarlos a predecir ciertos tipos de espectros, o la luz reflejada, involucrada en los superconductores. También espera que los resultados permitan a los físicos comprender cómo funcionan los superconductores y, con este conocimiento, diseñar mejores superconductores. + Explora más

Un estudio identifica un mecanismo que mantiene unidos los pares de electrones en superconductores no convencionales