Desde el descubrimiento de 1986 de la superconductividad a alta temperatura en compuestos de óxido de cobre llamados cupratos, los científicos han estado tratando de comprender cómo estos materiales pueden conducir la electricidad sin resistencia a temperaturas de cientos de grados por encima de las temperaturas ultra enfriadas requeridas por los superconductores convencionales.El mecanismo detrás de este comportamiento exótico puede allanar el camino para materiales de ingeniería que se vuelven superconductores a temperatura ambiente. Dicha capacidad podría permitir redes eléctricas sin pérdidas, sistemas de tránsito con levitación magnética más asequibles y supercomputadoras potentes, y cambiar la forma en que se produce, transmite la energía,y usado globalmente.
Ahora, los físicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. DOE tienen una explicación de por qué la temperatura a la que los cupratos se vuelven superconductores es tan alta. Después de cultivar y analizar miles de muestras de un cuprato conocido como LSCO para los cuatro elementoscontiene lantano, estroncio, cobre y oxígeno, determinaron que esta temperatura "crítica" está controlada por la densidad de pares de electrones, el número de pares de electrones por unidad de área. Este hallazgo, descrito en a Naturaleza el artículo publicado el 17 de agosto desafía la teoría estándar de la superconductividad, que propone que la temperatura crítica depende de la fuerza de la interacción de emparejamiento de electrones.
"Resolver el enigma de la superconductividad a alta temperatura ha sido el foco de la física de la materia condensada por más de 30 años", dijo Ivan Bozovic, físico senior en el Departamento de Física de la Materia Condensada y Materiales de Brookhaven Lab que dirigió el estudio ". NuestroEl hallazgo experimental proporciona una base para explicar el origen de la superconductividad a alta temperatura en los cupratos, una base que requiere un marco teórico completamente nuevo ".
Según Bozovic, una de las razones por las que los cupratos han sido tan difíciles de estudiar es por la ingeniería precisa requerida para generar muestras cristalográficas perfectas que contienen solo la fase superconductora de alta temperatura.
"Es un problema de ciencia de los materiales. Los cupratos pueden tener hasta 50 átomos por unidad de celda y los elementos pueden formar cientos de compuestos diferentes, lo que probablemente resulte en una mezcla de diferentes fases", dijo Bozovic.
Es por eso que Bozovic y su equipo de investigación cultivaron sus más de 2,500 muestras de LSCO mediante el uso de un sistema de epitaxia de haz molecular diseñado a medida que coloca átomos individuales en un sustrato, capa por capa. Este sistema está equipado con herramientas avanzadas de ciencias de la superficie, comocomo aquellos para espectroscopía de absorción y difracción de electrones, que proporcionan información en tiempo real sobre la morfología de la superficie, el grosor, la composición química y la estructura cristalina de las películas delgadas resultantes.
"El monitoreo de estas características asegura que no haya geometrías irregulares, defectos o precipitados de fases secundarias en nuestras muestras", explicó Bozovic.
Al diseñar las películas de LSCO, Bozovic agregó químicamente átomos de estroncio, que producen electrones móviles que se emparejan en las capas de óxido de cobre donde se produce la superconductividad. Este proceso de "dopaje" permite que el LSCO y otros cupratos, normalmente materiales aislantes, se conviertansuperconductor
Para este estudio, Bozovic agregó estroncio en cantidades más allá del nivel de dopaje requerido para inducir la superconductividad. Estudios anteriores sobre este "exceso" indicaron que la densidad de los pares de electrones disminuye a medida que aumenta la concentración de dopaje. Los científicos habían tratado de explicar esta sorprendentehallazgo experimental al atribuirlo a diferentes órdenes electrónicas que compiten con la superconductividad o la ruptura de pares de electrones causados por impurezas o desorden en la red. Por ejemplo, habían pensado que podrían estar en juego defectos geométricos, tales como átomos desplazados o faltantes.
Para probar estas explicaciones, Bozovic y su equipo midieron las propiedades magnéticas y electrónicas de sus películas LSCO diseñadas. Utilizaron una técnica llamada inductancia mutua para determinar la profundidad de penetración magnética la distancia que transmite un campo magnético a través de un superconductor, lo que indicala densidad de pares de electrones
Sus mediciones establecieron una relación lineal precisa entre la temperatura crítica y la densidad del par de electrones: ambos continúan disminuyendo a medida que se agrega más dopante, hasta que no se emparejan los electrones, mientras que la temperatura crítica cae a casi cero grados Kelvin menos 459 gradosFahrenheit. Según la comprensión estándar de los metales y los superconductores convencionales, este resultado es inesperado porque el LSCO se vuelve más metálico cuanto más se exagera.
"El desorden, la separación de fases o la ruptura del par de electrones tendrían el efecto inverso al introducir la dispersión que impide el flujo de electrones, haciendo que el material sea más resistivo, es decir, menos metálico", dijo Bozovic.
Si el equipo de Bozovic tiene razón en que la temperatura crítica está controlada por la densidad del par de electrones, entonces parece que pequeños pares locales de electrones están detrás de la alta temperatura a la cual los cupratos se vuelven superconductores. Experimentos previos han establecido que el tamaño de los pares de electrones es muchomás pequeño en cupratos que en superconductores convencionales, cuyos pares son tan grandes que se superponen. Comprender qué interacción hace que los pares de electrones sean tan pequeños en cupratos es el siguiente paso en la búsqueda para resolver el misterio de la superconductividad de alta temperatura.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Brookhaven . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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