Dependiendo de la perspectiva que se elija, un cálculo teórico puede describir la física observada con mayor o menor precisión. En 2015, Alessandro Toschi del Instituto de Física del Estado Sólido de TU Wien y su equipo, dentro de una cooperación internacional, desarrollaron un método teórico que se puede utilizar para determinar la mejor manera de ver las preguntas no resueltas en la física del estado sólido.

Desde entonces, el equipo de investigación ha desarrollado aún más este método de diagnóstico y lo ha aplicado recientemente a superconductores no convencionales, junto con investigadores de la Universidad de Michigan en Ann Arbor y el Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido en Stuttgart. Los investigadores publicaron recientemente sus resultados en la revista científica Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS ).

La idea detrás de este método se puede ilustrar mejor usando una analogía:en la mecánica clásica, hay varias formas de describir el movimiento de los cuerpos celestes. Si consideramos a la Tierra como el centro del sistema solar, por ejemplo, la descripción rápidamente se vuelve confusa y complicada. Pero si colocamos al sol en el centro del modelo, la descripción teórica se vuelve mucho más elegante y significativa.

La situación es similar con los diversos mecanismos en competencia que impulsan la física de los superconductores no convencionales. Su resistencia eléctrica, al igual que con los superconductores convencionales, cae abruptamente a cero por debajo de un cierto nivel de temperatura, lo que hace posible conducir y almacenar electricidad sin pérdidas. Para realizar este estado especial, los electrones del sólido deben unirse en pares, a pesar de la repulsión mutua. Este fenómeno físico puramente cuántico puede ser desencadenado por varios mecanismos. Mientras que en los superconductores convencionales la interacción entre los electrones y las vibraciones atómicas juega un papel central, este efecto suele ser insignificante en los superconductores no convencionales. Aquí, la interacción repulsiva entre los electrones es de mayor importancia.

Teoría y práctica

Durante mucho tiempo, sin embargo, se discutió por qué mecanismo microscópico se supera esta repulsión entre los electrones y, por lo tanto, se pueden formar pares:el llamado "pegamento de emparejamiento", como explica Alessandro Toschi. En particular, la pregunta es qué tipo de fluctuación (p. ej., espín o carga) mantiene unidos los pares de electrones en los superconductores no convencionales. "Por lo tanto, los colegas de la Universidad de Michigan querían analizar sus resultados para un cálculo destinado a la clase de materiales de cuprato utilizando nuestro método de diagnóstico", informa Toschi. Estos superconductores no convencionales, cuya estructura cristalina contiene aniones de cobre, se descubrieron ya en 1986 y desde entonces han desconcertado a la física.

La pregunta central que los investigadores querían responder es en qué formulación la física de la superconductividad no convencional es más transparente. Esto corresponde a identificar qué fluctuaciones son las responsables del enlace del par de electrones. "Finalmente pudimos demostrar que las fluctuaciones de espín (antiferromagnético) son las que están detrás de la física de los superconductores no convencionales. Si cambias la perspectiva y te enfocas en las fluctuaciones de carga, por otro lado, obtienes una representación borrosa y esencialmente inútil. de la física subyacente", dice Alessandro Toschi. Siguiendo con la analogía del sistema solar, las fluctuaciones de espín corresponden a ese sistema de referencia en el que el sol se coloca en el centro.

Si bien en el presente estudio solo se investigaron los cupratos, es muy probable que estos resultados también se puedan transferir a la clase de material de los niquelatos, que, al igual que los cupratos, pertenecen a la clase de superconductores no convencionales.

El misterio está resuelto

Con este resultado, el equipo de investigación no solo contribuye a una mejor comprensión del mecanismo de los superconductores no convencionales. La comprensión de que las fluctuaciones de espín son el factor decisivo también hace posible simplificar los cálculos teóricos futuros, lo que permite predicciones más precisas. "Anteriormente, nuestro método era solo una herramienta teórica. Al hacer la conexión práctica, el método se ha convertido en una de las aplicaciones más importantes para un problema que la comunidad científica ha estado tratando de resolver durante casi 40 años", resume Alessandro Toschi. . "Nuestra herramienta de diagnóstico brinda respuestas inequívocas a preguntas previamente abiertas".

Pero la sociedad también puede beneficiarse de los hallazgos fundamentales, desde el punto de vista de la perspectiva. Si los superconductores pueden usarse a temperaturas más altas y presiones normales en el futuro, podrían contribuir a resolver el problema del almacenamiento de energía, que es un factor limitante en el uso de energías renovables. + Explora más

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