La superconductividad se comprende bien en los llamados superconductores "convencionales". Sin embargo, son más recientes los superconductores no convencionales y aún no está claro cómo funcionan.
Un equipo del HZDR, junto con colegas del CEA, la Universidad de Tohoku en Japón y el Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos, ha explicado ahora por qué un nuevo material continúa siendo superconductor incluso en campos magnéticos extremadamente altos, una propiedad que falta en Superconductores convencionales. El hallazgo tiene el potencial de permitir aplicaciones tecnológicas previamente inconcebibles. El estudio se publica en Nature Communications. .
"Ditelluuro de uranio o UTe2 "Es un material superconductor de alto vuelo", afirma el Dr. Toni Helm del Laboratorio de Alto Campo Magnético (HLD) de Dresde en el HZDR. "Como se descubrió en 2019, el compuesto conduce la electricidad sin pérdidas, pero de otra manera. que los superconductores convencionales."
Desde entonces, grupos de investigación de todo el mundo se han interesado por el material. Esto incluye al equipo de Helm, que ha dado un paso más hacia la comprensión del compuesto.
"Para apreciar plenamente el revuelo que rodea al material, debemos observar más de cerca la superconductividad", explica el físico. "Este fenómeno se debe al movimiento de los electrones en el material. Cada vez que chocan con los átomos, pierden energía en forma de calor. Esto se manifiesta como resistencia eléctrica. Los electrones pueden evitar esto disponiéndose en formaciones de pares, los llamados pares de Cooper. ."
Un par de Cooper describe dos electrones combinados a bajas temperaturas para moverse a través de un sólido sin fricción. Aprovechan las vibraciones atómicas que los rodean como una especie de ola sobre la que pueden surfear sin perder energía. Estas vibraciones atómicas explican la superconductividad convencional.
"Sin embargo, desde hace algunos años también se conocen superconductores en los que se forman pares de Cooper mediante efectos que aún no se comprenden del todo", afirma el físico. Una posible forma de superconductividad no convencional es la superconductividad de triplete de espín, que se cree que utiliza fluctuaciones magnéticas.
"También hay metales en los que los electrones de conducción se unen", explica Helm. "Juntos, pueden proteger el magnetismo del material, comportándose como una sola partícula con (en el caso de los electrones) una masa extremadamente alta".
Estos materiales superconductores se conocen como superconductores de fermiones pesados. UTe2 , por lo tanto, podría ser tanto un triplete de espín como un superconductor de fermiones pesados, como sugieren los experimentos actuales. Más allá de esto, es el campeón mundial de peso pesado; hasta la fecha, no se conocen otros superconductores de fermiones pesados en campos magnéticos similares o superiores. Esto también fue confirmado por el presente estudio.
La superconductividad depende de dos factores:la temperatura de transición crítica y el campo magnético crítico. Si la temperatura cae por debajo de la temperatura de transición crítica, la resistencia cae a cero y el material se vuelve superconductor. Los campos magnéticos externos también influyen en la superconductividad. Si estos exceden un valor crítico, el efecto colapsa.
"Los físicos tienen una regla general para esto", dijo Helm. "En muchos superconductores convencionales, el valor de la temperatura de transición en Kelvin es aproximadamente de una a dos veces el valor de la intensidad crítica del campo magnético en Tesla. En los superconductores de triplete de espín, esta relación suele ser mucho mayor."
Con sus estudios sobre el peso pesado UTe2 , los investigadores ahora han podido subir el listón aún más:a una temperatura de transición de 1,6 kelvin (–271,55 °C), la intensidad crítica del campo magnético alcanza los 73 tesla, estableciendo la relación en 45, lo que es un récord.
"Hasta ahora, los superconductores de fermiones pesados tenían poco interés para aplicaciones técnicas", explica el físico. "Tienen una temperatura de transición muy baja y el esfuerzo necesario para enfriarlos es comparativamente alto."
Sin embargo, su insensibilidad a los campos magnéticos externos podría compensar esta deficiencia. Esto se debe a que el transporte de corriente sin pérdidas se utiliza hoy en día principalmente en imanes superconductores, por ejemplo en escáneres de resonancia magnética (MRI). Sin embargo, los campos magnéticos también influyen en el propio superconductor.
Un material que pueda soportar campos magnéticos muy intensos y seguir conduciendo la electricidad sin pérdidas representaría un gran paso adelante.
"Por supuesto, UTe2 "No se puede utilizar para fabricar cables para un electroimán superconductor", afirma Helm. "En primer lugar, las propiedades del material lo hacen inadecuado para esta tarea y, en segundo lugar, es radiactivo. Pero es perfectamente adecuado para la exploración de la física detrás de la superconductividad de triplete de espín."
Basándose en sus experimentos, los investigadores desarrollaron un modelo que podría servir como explicación para la superconductividad con una estabilidad extremadamente alta frente a campos magnéticos. Para ello, trabajaron en muestras con espesores de unos pocos micrómetros, sólo una fracción del espesor de un cabello humano (aproximadamente 70 micrómetros). Por lo tanto, la radiación radiactiva emitida por las muestras sigue siendo mucho menor que la del entorno natural.
Para obtener y dar forma a una muestra tan pequeña, Helm utilizó como herramienta de corte un haz de iones de alta precisión con un diámetro de tan solo unos pocos nanómetros. UTe2 Es un material sensible al aire. En consecuencia, Helm prepara las muestras al vacío y luego las sella con pegamento epoxi.
"Para obtener la prueba definitiva de que nuestro material es un superconductor de triplete de espín, tendríamos que examinarlo espectroscópicamente mientras está expuesto a fuertes campos magnéticos. Sin embargo, los métodos actuales de espectroscopia todavía tienen problemas con campos magnéticos superiores a 40 teslas. Junto con otros equipos, nosotros También estamos trabajando en el desarrollo de técnicas novedosas que, con el tiempo, nos permitirán proporcionar pruebas definitivas", afirma Helm.
Más información: Toni Helm et al, Compensación del intercambio magnético inducida por campo como posible origen de la superconductividad reentrante en UTe2 , Comunicaciones de la Naturaleza (2024). DOI:10.1038/s41467-023-44183-1
Información de la revista: Comunicaciones sobre la naturaleza
Proporcionado por la Asociación Helmholtz de Centros de Investigación Alemanes
