Un imán, levitando sobre un cuprato superconductor. Imagen: Robert Hill. Fuente: Universidad de Waterloo.
Físicos de la Universidad de Waterloo (Canadá) han dirigido un equipo internacional que se ha acercado más a comprender el misterio de cómo se da en ciertos materiales la superconductividad, un estado exótico que permite que se conduzca la electricidad con resistencia prácticamente nula.
Los físicos de todo el mundo buscan entender los secretos de la superconductividad por las interesantes posibilidades tecnológicas que tendría conseguir que se produjera más cerca de la temperatura ambiente.
En la superconductividad convencional, los materiales que son enfriados a casi el cero absoluto (-273,15 grados Celsius) exhiben la fantástica propiedad de que los electrones se emparejan y son capaces de conducir la electricidad con resistencia prácticamente nula. Si la superconductividad funcionara a temperaturas más altas, podría aplicarse a la creación de tecnologías como las redes de energía ultra eficientes, los superordenadores y los vehículos de levitación magnética.
Los nuevos hallazgos presentan evidencia experimental directa de lo que se conoce como nematicidad electrónica -cuando las nubes de electrones se encajan en un orden alineado y direccional- en un tipo particular de superconductor a alta temperatura. Los resultados, publicados en Science, podrían llevar a una teoría que explique por qué se produce la superconductividad a temperaturas más altas en ciertos materiales.
"En este estudio, identificamos una alineación inesperada de los electrones - un hallazgo que probablemente es general para los superconductores de alta temperatura y con el tiempo puede resultar ser un ingrediente clave del problema", dice David Hawthorn, profesor del Departamento de física y la astronomía, en la información de la universidad.
Los resultados muestran evidencia de que la nematicidad electrónica es una característica universal de los superconductores de alta temperatura de cuprato. Los cupratos son cerámicas de óxido de cobre compuestas de capas bidimensionales o planos de átomos de cobre y de oxígeno separados por otros átomos. Son conocidos por ser los mejores superconductores de alta temperatura.
Origen
Los materiales que exhiben superconductividad en condiciones algo más cálidas (aún así, a -135 grados Celsius, lejos de la temperatura ambiente) se descubrieron en la década de 1980. Pero predecir cómo se inicia la superconductividad en estos superconductores de alta temperatura sigue siendo un reto, y mucho más explicarla.
"Se ha hecho evidente en los últimos años que los electrones que participan en la superconductividad pueden formar patrones, rayas o tableros de ajedrez, y exhiben diferentes simetrías, alineándose preferentemente a lo largo de una dirección", dice Hawthorn. "Estos patrones y simetrías tienen importantes consecuencias para la superconductividad: pueden competir, coexistir o incluso mejorar la superconductividad."
Los físicos de todo el mundo buscan entender los secretos de la superconductividad por las interesantes posibilidades tecnológicas que tendría conseguir que se produjera más cerca de la temperatura ambiente.
En la superconductividad convencional, los materiales que son enfriados a casi el cero absoluto (-273,15 grados Celsius) exhiben la fantástica propiedad de que los electrones se emparejan y son capaces de conducir la electricidad con resistencia prácticamente nula. Si la superconductividad funcionara a temperaturas más altas, podría aplicarse a la creación de tecnologías como las redes de energía ultra eficientes, los superordenadores y los vehículos de levitación magnética.
Los nuevos hallazgos presentan evidencia experimental directa de lo que se conoce como nematicidad electrónica -cuando las nubes de electrones se encajan en un orden alineado y direccional- en un tipo particular de superconductor a alta temperatura. Los resultados, publicados en Science, podrían llevar a una teoría que explique por qué se produce la superconductividad a temperaturas más altas en ciertos materiales.
"En este estudio, identificamos una alineación inesperada de los electrones - un hallazgo que probablemente es general para los superconductores de alta temperatura y con el tiempo puede resultar ser un ingrediente clave del problema", dice David Hawthorn, profesor del Departamento de física y la astronomía, en la información de la universidad.
Los resultados muestran evidencia de que la nematicidad electrónica es una característica universal de los superconductores de alta temperatura de cuprato. Los cupratos son cerámicas de óxido de cobre compuestas de capas bidimensionales o planos de átomos de cobre y de oxígeno separados por otros átomos. Son conocidos por ser los mejores superconductores de alta temperatura.
Origen
Los materiales que exhiben superconductividad en condiciones algo más cálidas (aún así, a -135 grados Celsius, lejos de la temperatura ambiente) se descubrieron en la década de 1980. Pero predecir cómo se inicia la superconductividad en estos superconductores de alta temperatura sigue siendo un reto, y mucho más explicarla.
"Se ha hecho evidente en los últimos años que los electrones que participan en la superconductividad pueden formar patrones, rayas o tableros de ajedrez, y exhiben diferentes simetrías, alineándose preferentemente a lo largo de una dirección", dice Hawthorn. "Estos patrones y simetrías tienen importantes consecuencias para la superconductividad: pueden competir, coexistir o incluso mejorar la superconductividad."
Dispersión de rayos X
Los científicos utilizaron una nueva técnica llamada dispersión de rayos X suave, en el sincrotrón Canadian Light Source de Saskatoon, para investigar la dispersión de electrones en capas específicas en la estructura cristalina de cuprato. En concreto, observaron los planos individuales de cuprato (CuO2) donde se produce la nematicidad electrónica, en comparación con las distorsiones cristalinas entre los planos de CuO2.
La nematicidad electrónica sucede cuando los orbitales electrónicos se alinean en forma de serie de barras. El término nematicidad se refiere comúnmente a cuando los cristales líquidos se alinean espontáneamente bajo un campo eléctrico en pantallas de cristal líquido. En este caso, los orbitales de electrones entran en el estado nemático cuando la temperatura cae por debajo de un punto crítico.
Se puede hacer que los cupratos sean superconductores mediante la adición de elementos que eliminan los electrones del material, un proceso conocido como "dopaje."
Un material puede ser dopado de manera óptima para conseguir la superconductividad a la temperatura más alta y más accesible, pero en el estudio de cómo ocurre la superconductividad, los físicos trabajan a menudo con material que está "infradopado", que significa que el nivel de dopaje es menor que el nivel que maximiza la temperatura de superconducción.
Los resultados de este estudio muestran que la nematicidad electrónica ocurre con probabilidad en todos los cupratos infradopados.
Otra relación
Los físicos también quieren entender la relación de la nematicidad con un fenómeno conocido como fluctuaciones de ondas de densidad de carga. Normalmente, los electrones se encuentran en una agradable distribución uniforme, pero el orden de las cargas puede causar que los electrones se amontonen, como ondas en un estanque.
Esto establece una competición, en la que el material fluctúa entre los estados superconductores y los no superconductores hasta que la temperatura se enfría lo suficiente para que gane la superconductividad.
Aunque todavía no existe consenso sobre por qué se produce la nematicidad electrónica, en última instancia puede ser otro botón que presionar en la búsqueda del objetivo final, un superconductor a temperatura ambiente.
"El trabajo futuro abordará cómo se puede ajustar la nematicidad mediante la modificación de la estructura cristalina," dice Hawthorn. En el estudio participó también la Universidad de Toronto.
Los científicos utilizaron una nueva técnica llamada dispersión de rayos X suave, en el sincrotrón Canadian Light Source de Saskatoon, para investigar la dispersión de electrones en capas específicas en la estructura cristalina de cuprato. En concreto, observaron los planos individuales de cuprato (CuO2) donde se produce la nematicidad electrónica, en comparación con las distorsiones cristalinas entre los planos de CuO2.
La nematicidad electrónica sucede cuando los orbitales electrónicos se alinean en forma de serie de barras. El término nematicidad se refiere comúnmente a cuando los cristales líquidos se alinean espontáneamente bajo un campo eléctrico en pantallas de cristal líquido. En este caso, los orbitales de electrones entran en el estado nemático cuando la temperatura cae por debajo de un punto crítico.
Se puede hacer que los cupratos sean superconductores mediante la adición de elementos que eliminan los electrones del material, un proceso conocido como "dopaje."
Un material puede ser dopado de manera óptima para conseguir la superconductividad a la temperatura más alta y más accesible, pero en el estudio de cómo ocurre la superconductividad, los físicos trabajan a menudo con material que está "infradopado", que significa que el nivel de dopaje es menor que el nivel que maximiza la temperatura de superconducción.
Los resultados de este estudio muestran que la nematicidad electrónica ocurre con probabilidad en todos los cupratos infradopados.
Otra relación
Los físicos también quieren entender la relación de la nematicidad con un fenómeno conocido como fluctuaciones de ondas de densidad de carga. Normalmente, los electrones se encuentran en una agradable distribución uniforme, pero el orden de las cargas puede causar que los electrones se amontonen, como ondas en un estanque.
Esto establece una competición, en la que el material fluctúa entre los estados superconductores y los no superconductores hasta que la temperatura se enfría lo suficiente para que gane la superconductividad.
Aunque todavía no existe consenso sobre por qué se produce la nematicidad electrónica, en última instancia puede ser otro botón que presionar en la búsqueda del objetivo final, un superconductor a temperatura ambiente.
"El trabajo futuro abordará cómo se puede ajustar la nematicidad mediante la modificación de la estructura cristalina," dice Hawthorn. En el estudio participó también la Universidad de Toronto.
Referencia bibliográfica:
A. J. Achkar et al.: Nematicity in stripe-ordered cuprates probed via resonant x-ray scattering. Science (2016). DOI: 10.1126/science.aad1824.
A. J. Achkar et al.: Nematicity in stripe-ordered cuprates probed via resonant x-ray scattering. Science (2016). DOI: 10.1126/science.aad1824.