Los cupratos, o compuestos hechos de cobre y oxígeno, pueden conducir electricidad sin resistencia al "doparse" con otros elementos químicos y enfriarse a temperaturas inferiores a menos 210 grados Fahrenheit. A pesar de la extensa investigación sobre este fenómeno, llamado superconductividad a alta temperatura,- los científicos aún no están seguros de cómo funciona. Experimentos previos han establecido que las disposiciones ordenadas de cargas eléctricas conocidas como "franjas de carga" coexisten con la superconductividad en muchas formas de cupratos. Sin embargo, la naturaleza exacta de estas franjas, específicamente sifluctúan con el tiempo, y su relación con la superconductividad, ya sea que trabajen junto con o contra los electrones que se emparejan y fluyen sin pérdida de energía, han seguido siendo un misterio.
Ahora, los científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. DOE han demostrado que las franjas de carga estáticas, en lugar de fluctuantes, coexisten con la superconductividad en un cuprato cuando se agregan lantano y bario en ciertas cantidades. Su investigación, descrita enun artículo publicado el 11 de octubre en Physical Review Letters sugiere que este orden estático de cargas eléctricas puede cooperar en lugar de competir con la superconductividad. Si este es el caso, entonces los electrones que se agrupan periódicamente para formar las bandas de carga estática pueden separarse enespacio de los pares de electrones de libre movimiento necesarios para la superconductividad.
"Comprender la física detallada de cómo funcionan estos compuestos nos ayuda a validar o descartar las teorías existentes y debería señalar el camino hacia una receta sobre cómo elevar la temperatura superconductora", dijo el coautor del artículo Mark Dean, físico en la X-Ray Scattering Group del Departamento de Física de la Materia Condensada y Ciencia de Materiales en Brookhaven Lab. "Elevar esta temperatura es crucial para la aplicación de la superconductividad a la transmisión de energía sin pérdidas".
franjas de carga puestas a prueba del tiempo
Para ver si las franjas de carga eran estáticas o fluctuantes en su compuesto, los científicos utilizaron una técnica llamada espectroscopía de correlación de fotones de rayos X. En esta técnica, se dispara un haz de rayos X coherentes a una muestra, lo que provocafotones de rayos, o partículas de luz, para dispersar los electrones de la muestra. Estos fotones caen sobre una cámara de rayos X especializada de alta velocidad, donde generan señales eléctricas que se convierten en una imagen digital del patrón de dispersión.la luz interactúa con los electrones en la muestra, el patrón contiene manchas granuladas oscuras y brillantes llamadas motas. Al estudiar este "patrón de motas" con el tiempo, los científicos pueden determinar si las franjas de carga cambian o no.
En este estudio, la fuente de los rayos X fue la línea de luz de dispersión coherente de rayos X CSX-1 en la Fuente de luz nacional sincrotrón II NSLS-II, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE en Brookhaven.
"Sería muy difícil hacer este experimento en cualquier otro lugar del mundo", dijo el coautor Stuart Wilkins, gerente del programa de dispersión y espectroscopía de rayos X suaves en NSLS-II y científico principal de la línea de luz CSX-1"Solo una pequeña fracción del total de electrones en el cuprato participa en el orden de la franja de carga, por lo que la intensidad de los rayos X dispersos de este cuprato es extremadamente pequeña. Como resultado, necesitamos un x- muy intenso y altamente coherente.haz de rayos para ver las manchas. El brillo sin precedentes de NSLS-II y el flujo de fotones coherente nos permitieron lograr este haz. Sin él, no podríamos discernir el orden electrónico muy sutil de las franjas de carga ".
El patrón de manchas del equipo fue consistente durante un período de medición de casi tres horas, lo que sugiere que el compuesto tiene un orden de franjas de carga altamente estático. Los estudios anteriores solo habían podido confirmar este orden estático hasta una escala de tiempo de microsegundos, por lo que los científicos estabanno estoy seguro de si surgirían fluctuaciones más allá de ese punto.
La espectroscopía de correlación de fotones de rayos X es una de las pocas técnicas que los científicos pueden utilizar para evaluar estas fluctuaciones en escalas de tiempo muy largas. El equipo de científicos de Brookhaven, que representa una estrecha colaboración entre uno de los departamentos centrales de Brookhaven y uno de sus usuariosinstalaciones: es el primero en aplicar la técnica para estudiar el orden de carga en este cuprate particular ". Combinar nuestra experiencia en superconductividad a alta temperatura y dispersión de rayos X con las capacidades de NSLS-II es una excelente manera de abordar este tipo deestudios ", dijo Wilkins.
Para realizar mediciones precisas durante tanto tiempo, el equipo tuvo que asegurarse de que la configuración experimental fuera increíblemente estable ". Mantener la misma intensidad de rayos X y la posición de la muestra con respecto al haz de rayos X son cruciales, pero estos parámetros se vuelvenmás difícil de controlar a medida que pasa el tiempo y, finalmente, imposible ", dijo Dean." Cuando la temperatura del edificio cambia o hay vibraciones de los automóviles u otros experimentos, las cosas pueden moverse. NSLS-II ha sido cuidadosamente diseñado para contrarrestar estos factores,pero no indefinidamente "
"El haz de rayos X en CSX-1 es estable dentro de una fracción muy pequeña del tamaño del haz de 10 micras por encima de nuestro límite práctico de casi tres horas", agregó Xiaoqian Chen, coautor y postdoctorado en la X-Ray Scattering Group en Brookhaven. El rendimiento de CSX-1 excede el de cualquier otra línea de rayos X suave actualmente operacional en los Estados Unidos.
En parte del experimento, los científicos calentaron el compuesto para probar si la energía térmica podría hacer que fluctuaran las franjas de carga. No observaron fluctuaciones, incluso hasta la temperatura a la que se sabe que el compuesto deja de comportarse como un superconductor.
"Nos sorprendió que las franjas de carga fueran tan estáticamente notables en escalas de tiempo y rangos de temperatura tan largos", dijo el coautor y postdoc Vivek Thampy del Grupo de dispersión de rayos X. "Pensamos que podríamos ver algunas fluctuaciones cerca deltemperatura de transición donde desaparece el orden de la franja de carga, pero no lo hicimos "
En una verificación final, el equipo calculó teóricamente los patrones de manchas, que eran consistentes con sus datos experimentales.
En adelante, el equipo planea usar esta técnica para investigar la naturaleza de las cargas en cupratos con diferentes composiciones químicas.
Las mediciones de dispersión de rayos X fueron respaldadas por el Centro de Superconductividad Emergente, un Centro de Investigación de la Frontera Energética financiado por la Oficina de Ciencia del DOE.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional Brookhaven . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :