En la década de 1980, el descubrimiento de superconductores de alta temperatura conocidos como cupratos revirtió una teoría ampliamente sostenida de que los materiales superconductores transportan corriente eléctrica sin resistencia solo a temperaturas muy bajas de alrededor de 30 Kelvin o menos 406 grados Fahrenheit.Los investigadores se han desconcertado por la capacidad de algunos cupratos de superconductarse a temperaturas de más de 100 Kelvin menos 280 grados Fahrenheit.
Ahora, los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de EE. UU. Berkeley Lab han revelado una pista sobre las propiedades inusuales de los cupratos, y la respuesta se encuentra dentro de una fuente inesperada: el giro de electrones. Su artículo describe la investigación detráseste descubrimiento fue publicado el 13 de diciembre en la revista ciencia .
Agregar giro de electrones a la ecuación
Cada electrón es como un pequeño imán que apunta en cierta dirección. Y los electrones dentro de la mayoría de los materiales superconductores parecen seguir su propia brújula interna. En lugar de apuntar en la misma dirección, sus electrones giran apuntando al azar en todas direcciones, algunos hacia arriba, algunos hacia abajo, otros hacia la izquierda o hacia la derecha.
Cuando los científicos desarrollan nuevos tipos de materiales, generalmente miran el giro electrónico de los materiales o la dirección en la que apuntan los electrones. Pero cuando se trata de hacer superconductores, los físicos de materia condensada no se han centrado tradicionalmente en el giro,porque la opinión convencional era que todas las propiedades que hacen que estos materiales sean únicos se formaron solo por la forma en que dos electrones interactúan entre sí a través de lo que se conoce como "correlación electrónica".
Pero cuando un equipo de investigación dirigido por Alessandra Lanzara, científica de la facultad en la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab y profesor de Física Charles Kittel en UC Berkeley, utilizó un detector único para medir muestras de un superconductor de cuprato exótico, Bi-2212 bismutoóxido de cobre de calcio y estroncio, con una técnica poderosa llamada SARPES espectroscopía de fotoemisión resuelta por espín y ángulo, descubrieron algo que desafió todo lo que habían sabido sobre los superconductores: un patrón distinto de espines de electrones dentro del material.
"En otras palabras, descubrimos que había una dirección bien definida en la que apuntaba cada electrón dado su momento, una propiedad también conocida como bloqueo de momento de giro", dijo Lanzara. "Encontrarlo en superconductores de alta temperatura erauna gran sorpresa."
Un nuevo mapa para superconductores de alta temperatura
En el mundo de los superconductores, "alta temperatura" significa que el material puede conducir electricidad sin resistencia a temperaturas superiores a las esperadas pero aún en temperaturas extremadamente frías muy por debajo de cero grados Fahrenheit. Esto se debe a que los superconductores deben estar extraordinariamente fríos para transportar electricidad sincualquier resistencia. A esas bajas temperaturas, los electrones pueden moverse en sincronía entre sí y no ser golpeados por la agitación de los átomos, causando resistencia eléctrica.
Y dentro de esta clase especial de materiales superconductores de alta temperatura, los cupratos son algunos de los mejores, lo que lleva a algunos investigadores a creer que tienen un uso potencial como un nuevo material para construir cables eléctricos súper eficientes que pueden transportar energía sin ninguna pérdidade impulso electrónico, dijo el coautor principal Kenneth Gotlieb, que era estudiante de doctorado en el laboratorio de Lanzara en el momento del descubrimiento. Comprender qué hace que algunos superconductores de cuprato exóticos como Bi-2212 funcionen a temperaturas tan altas como 133 Kelvinaproximadamente -220 grados Fahrenheit podría facilitar la realización de un dispositivo práctico.
Entre los materiales muy exóticos que estudian los físicos de la materia condensada, hay dos tipos de interacciones electrónicas que dan lugar a nuevas propiedades para nuevos materiales, incluidos los superconductores, dijo Gotlieb. Los científicos que han estado estudiando los superconductores de cuprato se han centrado en solo uno de esosinteracciones: correlación electrónica.
El otro tipo de interacción electrónica que se encuentra en los materiales exóticos es el "acoplamiento espín-órbita", la forma en que el momento magnético del electrón interactúa con los átomos del material.
El acoplamiento giro-órbita a menudo se descuidó en los estudios de superconductores de cuprato, porque muchos asumieron que este tipo de interacción electrónica sería débil en comparación con la correlación electrónica, dijo el coautor principal, Chiu-Yun Lin, investigador en Materiales del laboratorioDivisión de Ciencias y estudiante de doctorado en el Departamento de Física de la Universidad de California en Berkeley. Entonces, cuando encontraron el patrón de giro inusual, Lin dijo que, aunque se sorprendieron gratamente por este hallazgo inicial, todavía no estaban seguros de si era unpropiedad intrínseca "verdadera" del material Bi-2212, o un efecto externo causado por la forma en que la luz láser interactúa con el material en el experimento.
brillando una luz en giro de electrones con SARPES
En el transcurso de casi tres años, Gotlieb y Lin usaron el detector SARPES para trazar minuciosamente el patrón de espín en el laboratorio de Lanzara. Cuando necesitaban mayores energías de fotones para excitar un rango más amplio de electrones dentro de una muestra, los investigadores movieron el detectoral lado del sincrotrón de Berkeley Lab, Advanced Light Source ALS, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE de EE. UU. que se especializa en luz de rayos X "suave" de baja energía para estudiar las propiedades de los materiales.
El detector SARPES fue desarrollado por Lanzara, junto con los coautores Zahid Hussain, ex diputado de la división de ALS, y Chris Jozwiak, un científico del personal de ALS. El detector permitió a los científicos probar las propiedades electrónicas clave de los electrones, como la banda de valenciaestructura.
Después de decenas de experimentos en el ALS, donde el equipo de investigadores conectó el detector de SARPES a Beamline 10.0.1 para que pudieran acceder a esta poderosa luz para explorar el giro de los electrones que se mueven con un impulso mucho mayor a través del superconductor que aquellos que pudieronEn el acceso al laboratorio, descubrieron que el patrón de giro distintivo de Bi-2212, llamado "giro distinto de cero", fue un verdadero resultado, que los inspiró a hacer aún más preguntas ". Quedan muchas preguntas sin resolver en el campo de la superconductividad de alta temperatura,"dijo Lin." Nuestro trabajo proporciona nuevos conocimientos para comprender mejor los superconductores de cuprate, que pueden ser un componente básico para resolver estas preguntas ".
Lanzara agregó que su descubrimiento no podría haber sucedido sin la "ciencia de equipo" colaborativa de Berkeley Lab, un laboratorio nacional del DOE con vínculos históricos con la cercana UC Berkeley. "Este trabajo es un ejemplo típico de dónde puede ir la ciencia cuando las personas conla experiencia en las disciplinas científicas se unen y cómo la nueva instrumentación puede empujar los límites de la ciencia ", dijo.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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