La superconductividad, un fenómeno cuántico en el que los metales por debajo de una determinada temperatura desarrollan un flujo de corriente sin pérdida ni resistencia, es uno de los problemas más emocionantes en física, lo que ha dado lugar a inversiones en todo el mundo de enorme poder y recursos cerebrales desde sudescubrimiento hace poco más de un siglo. Muchos teóricos prominentes, galardonados con el Premio Nobel entre ellos, han propuesto teorías para nuevas clases de materiales superconductores descubiertos varias décadas después, seguidos por equipos de experimentadores que trabajan furiosamente para proporcionar evidencia sólida para estas teorías. Más de 100,000 investigacionesSe han publicado documentos sobre los nuevos materiales.
Una de esas teorías comenzó con una propuesta en 1989 de Chandra Varma mientras trabajaba en los Laboratorios Bell, NJ, y ahora es un distinguido profesor de física y astronomía en la Universidad de California, Riverside. En UC Riverside, desarrolló aún más la teoría y propuso experimentospara confirmarlo o refutarlo. Esa teoría ha sido probada experimentalmente como una teoría consistente por físicos en China y Corea.
Los resultados experimentales, publicados en Avances científicos hoy 4 de marzo, ahora permite una clara discriminación de las teorías de la superconductividad a alta temperatura, favoreciendo a una y descartando a otras. El trabajo de investigación se titula "Determinación cuantitativa de las interacciones de emparejamiento para la superconductividad a alta temperatura en cupratos".
"En el núcleo de la mayoría de los modelos para la superconductividad a alta temperatura en cupratos se encuentra la idea del emparejamiento de electrones y electrones", dijo Lev P. Gor'kov, físico teórico de la Universidad Estatal de Florida que es reconocido por aprovechar al máximoimportante avance formal en el campo de la superconductividad en 1958, mientras estaba en la Academia de Ciencias de la Unión Soviética ". El trabajo del profesor Chandra Varma y sus colegas de China y Corea es el intento audaz y exitoso de extraer las interacciones electrón-electrón relevantes directamente del experimento."Su enfoque elegante abre nuevas perspectivas también para estudiar los mecanismos de superconductividad en otros sistemas con electrones fuertemente correlacionados".
Una bendición para la tecnología
Los superconductores se usan en dispositivos de imágenes magnéticas en hospitales. También se usan para interruptores eléctricos especiales. Los electroimanes utilizados en el Gran Colisionador de Hadrones en el CERN usan cables superconductores. Sin embargo, el uso a gran escala de la superconductividad no es factibleactualmente debido al costo. Si los superconductores pudieran fabricarse de manera económica y a temperaturas normales, encontrarían un amplio uso en la transmisión de energía, el almacenamiento de energía y la levitación magnética
Descubierto por primera vez en el elemento mercurio en 1911, se dice que la superconductividad ocurre cuando la resistencia eléctrica en un sólido desaparece cuando ese sólido se enfría por debajo de una temperatura característica, llamada temperatura de transición, que varía de un material a otro. Las temperaturas de transición tienden a sercerca de 0 K o -273 C. A temperaturas incluso ligeramente más altas, los materiales tienden a perder sus propiedades superconductoras; de hecho, a temperatura ambiente, la mayoría de los superconductores son conductores muy pobres. En 1987, se descubrieron algunos superconductores de alta temperatura, llamados cupratos.por los físicos Georg Bednorz y Alexander Müller, llamados así porque todos contienen cobre y oxígeno. Estos nuevos materiales tienen propiedades que han suscitado nuevas preguntas profundas. Por qué estos superconductores de alta temperatura funcionan como lo han hecho, sigue siendo desconocido.
Una breve lección de historia
El problema de la superconductividad se consideró resuelto por una teoría propuesta en 1957: la teoría BCS de la superconductividad. Esta teoría integral, desarrollada por los físicos John Bardeen, Leon Cooper y John Schrieffer la primera letra de sus apellidos le dio su nombre a la teoría, explicó el comportamiento de los materiales superconductores como resultado de la formación de pares de electrones, y cada par está fuertemente correlacionado con otros pares, lo que les permite funcionar de manera coherente como una sola entidad. Los conceptos en la teoría BCS y sus elaboraciones han influido en todas las ramas de la física,que van desde la física de partículas elementales hasta la cosmología.
"Pero en los cupratos, se descubrió que algunos de los conceptos fundacionales de la física de las partículas que interactúan, como el concepto de cuasi partículas, no son válidos", dijo Varma. "Las propiedades físicas de los superconductores por encima de la temperatura de transición superconductora fueronmás notable que la superconductividad en sí. Posteriormente, casi todos los físicos teóricos líderes en el mundo propusieron diferentes direcciones de ideas y cálculos para explicar estas propiedades y la superconductividad. Pero se verificaron muy pocas predicciones derivadas de estas ideas, y no se realizaron experimentos específicos.de acuerdo con ellos "
Una cuasi partícula es un paquete de energía y momento que, en algunos aspectos, puede considerarse como una partícula. Es un concepto físico que permite el cálculo detallado de las propiedades de la materia.
En 1989, mientras trabajaba en los Laboratorios Bell, Varma y algunos colaboradores propusieron que el colapso del concepto de cuasi partículas se debe a una forma simple de fluctuaciones cuánticas críticas: fluctuaciones que son de naturaleza cuántica y ocurren cuando se rompe la simetría de la materiahacia abajo, como en el punto crítico de transición de fase cerca del cero absoluto de temperatura.
En física, se dice que la simetría ocurre cuando algún cambio en la orientación o movimiento por cualquier cantidad deja la situación física sin cambios el espacio vacío, por ejemplo, tiene simetría porque es igual en todas partes. Relatividad, teoría cuántica, cristalografía y espectroscopíaimplican nociones de simetría.
"Fue en este momento que introdujimos el concepto de Fermi-líquidos marginales o cuasi partículas marginales a través de las cuales se explicaron varias propiedades de la superconductividad", dijo Varma. "También proporcionamos algunas predicciones definitivas, que solo podían probarse en2000 por una nueva técnica llamada Fotoemisiones resueltas en ángulo o ARPES ".
Varma explicó que en 1989 tampoco había evidencia de que las mismas fluctuaciones cuánticas críticas promovieran la transición de la superconductividad.
"No había ninguna teoría para la causa de tales fluctuaciones cuánticas críticas o para la simetría que debe cambiar cerca del cero absoluto para realizarlas", dijo.
En 1997, Varma propuso transiciones a una nueva clase de simetrías, en la que la dirección del tiempo se elegía por la dirección de las corrientes. Estas corrientes, sugirió, comienzan a fluir espontáneamente en cada celda microscópica de los cupratos. Desde 2004,un grupo de científicos franceses en Saclay ha estado reportando evidencia de tales simetrías en cada compuesto superconductor de alta temperatura que podría investigar con la dispersión de neutrones. También hay otros tipos de experimentos realizados por otros grupos de investigación.
Varma advirtió que persisten algunos problemas no resueltos. Su grupo propone experimentos para abordarlos.
En 2003, el año en que Varma se mudó a UC Riverside, formuló una teoría sobre cómo las fluctuaciones cuánticas acopladas a los electrones dan lugar a la simetría observada en la superconductividad.
"Este era un tipo de acoplamiento completamente nuevo", dijo. "Tenía predicciones muy notables e inusuales para los experimentos diseñados para descifrar dicho acoplamiento".
ARPES al rescate
En 2010, Varma se dio cuenta de ARPES basado en láser de alta calidad en un laboratorio del Instituto de Física de la Academia de Ciencias de China, Beijing, China. Se produjo una colaboración con el físico Xingjiang Zhou en el instituto, con análisis numérico deHan-Yong Choi, físico de la Universidad SungKyunKwan de Corea, quien trabajó en el pasado con Varma en la UCR.
El equipo de Zhou realizó varias mejoras en la técnica ARPES, lo que aseguró que la calidad de los datos fuera lo suficientemente alta y reproducible como para tener plena confianza.
"Los datos obtenidos y el análisis que describimos en nuestro artículo son concluyentes sobre los temas más importantes relacionados con la superconductividad", dijo Varma. "Nuestras conclusiones, es decir, que las fluctuaciones cuánticas que promueven la superconductividad son las mismas que conducen ael Fermi-líquido marginal y son consistentemente de la forma predicha, se estiran exponencialmente en el tiempo de una manera invariante a escala en relación con el estiramiento en el espacio, tampoco tienen aproximaciones teóricas, son tan precisos como lo permite la calidad de los datos.También abordan inequívocamente la cuestión de la simetría de la superconductividad. Además, descartan muchas de las ideas alternativas que se han propuesto sobre este problema en los últimos treinta años desde el descubrimiento original. Nuestras observaciones sobre la ruptura de la simetría de inversión de tiempo y delas fluctuaciones que siguen completan aspectos importantes de nuestra comprensión de estos problemas ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Universidad de California - Riverside . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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