Comprender la superconductividad a temperatura ambiente

(A) Dependencia de fluencia de la señal de reflectividad resuelta en el tiempo, sonda de 800 nm, en la fase superconductora de YBCO (T =20 K). (B) Señal de reflectividad resuelta en el tiempo a 20 K y 65 K para ≈ 100 μJ/cm2. La señal cae dramáticamente alrededor de TC indicando la clara conexión con la orden SC. Crédito:Ciencia (2022). DOI:10.1126/ciencia.abd7213

Los superconductores a temperatura ambiente podrían transformar todo, desde redes eléctricas hasta aceleradores de partículas y computadoras, pero los investigadores todavía están tratando de comprender cómo funcionan estos materiales a nivel atómico.

Recientemente, el físico de NC State, Lex Kemper, fue miembro de un equipo internacional que publicó un artículo en Science sobre las propiedades únicas de un material llamado óxido de itrio, bario y cobre, o YBCO.

El equipo descubrió que la superconductividad de YBCO está entrelazada de formas inesperadas con otro fenómeno conocido como ondas de densidad de carga (CDW), u ondas en la densidad de electrones en el material. Estos CDW se fortalecen cuando se apaga la superconductividad de YBCO. Sin embargo, se sorprendieron al descubrir que los CDW también se organizaron más espacialmente de repente, lo que sugiere que la superconductividad de alguna manera da forma fundamental a la forma de los CDW a nanoescala.

Entonces, ¿qué significa esto? The Abstract le pidió a Kemper que compartiera sus ideas.

TA:La búsqueda de superconductores a temperatura ambiente podría transformar muchas industrias. En este artículo, analizó la conexión entre la superconductividad y las ondas de densidad de carga en un material llamado YBCO. Comencemos con algunas definiciones básicas:¿qué le da superconductividad a un material?

Kemper:Esta es una muy buena pregunta. Sabemos por la teoría BCS que la superconductividad puede ocurrir porque dos electrones pueden interactuar indirectamente a través de vibraciones de red, una especie de fuerza. Forman un par enlazado llamado par de Cooper, y cuando todos los electrones relevantes en el material hacen eso, se obtiene un estado llamado superconductividad. Ahora, esta teoría no es directamente aplicable a YBCO, y esto ha estimulado varias décadas de investigación para descubrir qué sucede en estos materiales. Actualmente, lo que pensamos es que la fuerza de unión la proporcionan las fluctuaciones magnéticas en el material, en lugar de las vibraciones de la red.

TA:¿Qué es una onda de densidad de carga?

Kemper:Imagine que tiene una fila de personas, todas igualmente espaciadas; esa es su estructura inicial. Ahora, haga que cada grupo de dos personas formen parejas y se paren un poco más juntas; esa es la forma más fácil de ver una onda de densidad de carga. En esencia, es un patrón adicional al que ya existía. En YBCO, creemos que este patrón adicional ocurre debido a que los electrones actúan solos, en lugar de que los átomos estén involucrados.

TA:Cuando usó pulsos de láser para "apagar" la superconductividad en el YBCO, notó que las ondas de densidad de carga se volvieron más fuertes y más organizadas, lo que significa que las ondas de densidad de carga y superconductividad están conectadas de alguna manera a nanoescala. ¿Qué significa esto?

Kemper:Lo que mostró este estudio no es tanto un camino a seguir para encontrar o crear superconductores de alta temperatura; más bien, es un paso en la comprensión de la física fundamental en juego. Descubrimos que la supresión de la superconductividad hace que las ondas de densidad de carga mantengan su patrón en escalas de longitud mucho más largas, lo que indica que compiten, pero de una manera estructurada a nanoescala. Esto arroja nueva luz sobre el problema del orden coexistente/entrelazado que vemos en estos materiales.

TA:¿Por qué este orden entrelazado se considera un 'problema' o algo que debemos estudiar más a fondo? ¿Simplemente no entendemos por qué/cómo ocurre? ¿Interfiere con nuestra capacidad de explotar ciertas propiedades del material?

Kemper:En resumen, no tenemos una comprensión sólida de por qué este material es superconductor, por qué exhibe una onda de densidad de carga, ¡y mucho menos la combinación de esos dos! Una buena manera de entender algo en física es perturbarlo un poco y ver cómo responde (así es como funcionan casi todos los experimentos, y también cómo surgen muchas propiedades de los materiales). En este caso, perturbamos con un pulso láser ultrarrápido y observamos la dinámica resultante, que nos dijo algo nuevo que no sabíamos antes. En este caso, reveló la existencia de un tipo de patrón a nanoescala y descartó varias otras opciones de patrones (a nanoescala o no).

TA:¿Cuáles son los próximos pasos con este trabajo?

Kemper:Los próximos pasos son refinar el experimento y la teoría, y tratar de encontrar nuevas formas de ver este problema. En términos más generales, esperamos que el campo incorpore este trabajo en su forma de pensar sobre la física fundamental de las ondas de densidad de carga y la superconductividad en estos materiales.

TA:¿Crees que llegaremos a superconductores utilizables a temperatura ambiente en un futuro próximo?

Kemper:Esta es una muy buena pregunta. Eso espero. Lo que espero es que si ocurre, provendrá de un rincón inesperado del vasto océano de posibilidades que aún no hemos explorado. + Explora más