Los superconductores han intrigado a los físicos durante décadas. Pero estos materiales, que permiten el flujo perfecto y sin pérdidas de electrones, normalmente sólo exhiben esta peculiaridad mecánico-cuántica a temperaturas tan bajas (unos pocos grados por encima del cero absoluto) que los hacen poco prácticos.
Un equipo de investigación dirigido por el profesor de Física y Física Aplicada de Harvard, Philip Kim, ha demostrado una nueva estrategia para fabricar y manipular una clase ampliamente estudiada de superconductores de alta temperatura llamados cupratos, despejando el camino para diseñar formas nuevas e inusuales de superconductividad en materiales que antes eran inalcanzables. .
Utilizando un método exclusivo de fabricación de dispositivos a baja temperatura, Kim y su equipo informan en la revista Science un candidato prometedor para el primer diodo superconductor de alta temperatura del mundo (esencialmente, un interruptor que hace que la corriente fluya en una dirección) hecho de finos cristales de cuprato.
En teoría, un dispositivo de este tipo podría impulsar industrias incipientes como la computación cuántica, que dependen de fenómenos mecánicos fugaces que son difíciles de sostener.
"De hecho, los diodos superconductores de alta temperatura son posibles sin la aplicación de campos magnéticos y abren nuevas puertas de investigación hacia el estudio de materiales exóticos", afirmó Kim.
Los cupratos son óxidos de cobre que, hace décadas, revolucionaron el mundo de la física al demostrar que se vuelven superconductores a temperaturas mucho más altas de lo que los teóricos habían pensado posible, siendo "más alta" un término relativo (el récord actual para un superconductor de cuprato es -225 Fahrenheit). Sin embargo, manipular estos materiales sin destruir sus fases superconductoras es muy complejo debido a sus complejas características electrónicas y estructurales.
Los experimentos del equipo fueron dirigidos por S. Y. Frank Zhao, ex alumno de la Escuela de Graduados en Artes y Ciencias Griffin y ahora investigador postdoctoral en el MIT. Utilizando un método de manipulación de cristales criogénicos sin aire en argón ultrapuro, Zhao diseñó una interfaz limpia entre dos capas extremadamente delgadas de óxido de cuprato, bismuto, estroncio, calcio y cobre, apodado BSCCO ("bisco").
BSCCO se considera un superconductor de "alta temperatura" porque comienza a ser superconductor a aproximadamente -288 Fahrenheit (-177 C), muy frío según los estándares prácticos pero sorprendentemente alto entre los superconductores, que normalmente deben enfriarse a aproximadamente -400 Fahrenheit (-240 C). ).
Zhao primero dividió el BSCCO en dos capas, cada una de una milésima del ancho de un cabello humano. Luego, a -130 F (-90 C), apiló las dos capas con un giro de 45 grados, como un sándwich de helado con obleas torcidas, conservando la superconductividad en la frágil interfaz.
El equipo descubrió que la supercorriente máxima que puede pasar sin resistencia a través de la interfaz es diferente según la dirección de la corriente. Fundamentalmente, el equipo también demostró control electrónico sobre el estado cuántico interfacial invirtiendo esta polaridad.
Este control fue lo que efectivamente les permitió crear un diodo superconductor conmutable de alta temperatura, una demostración de física fundamental que algún día podría incorporarse a una pieza de tecnología informática, como un bit cuántico.
"Este es un punto de partida en la investigación de fases topológicas, que presentan estados cuánticos protegidos de imperfecciones", dijo Zhao.
El equipo de Harvard trabajó con sus colegas Marcel Franz de la Universidad de Columbia Británica y Jed Pixley de la Universidad de Rutgers, cuyos equipos previamente realizaron cálculos teóricos que predijeron con precisión el comportamiento del superconductor de cuprato en una amplia gama de ángulos de torsión. Conciliar las observaciones experimentales también requirió nuevos desarrollos teóricos realizados por Pavel A. Volkov de la Universidad de Connecticut.
Nota de corrección (18/122023):Se agregaron grados Celsius al artículo para complementar las mediciones de Fahrenheit relacionadas.
Más información: S. Y. Frank Zhao et al, Simetría de inversión de tiempo que rompe la superconductividad entre superconductores de cuprato retorcidos, Ciencia (2023). DOI:10.1126/ciencia.abl8371
Información de la revista: Ciencia
Proporcionado por la Universidad de Harvard
