¿Qué sucede cuando imanes realmente potentes, capaces de producir campos magnéticos casi dos millones de veces más fuertes que los de la Tierra, se aplican a materiales que tienen una "super" capacidad de conducir electricidad cuando son enfriados por nitrógeno líquido? Un equipo de científicos se dispusopara responder a esta pregunta en uno de esos superconductores hechos de los elementos lantano, estroncio, cobre y oxígeno LSCO. Descubrieron que la resistencia eléctrica de este compuesto de óxido de cobre, o cuprato, cambia de manera inusual cuando hay campos magnéticos muy altossuprimir su superconductividad a bajas temperaturas.
"El problema más apremiante en la física de la materia condensada es comprender el mecanismo de superconductividad en los cupratos porque a presión ambiente se vuelven superconductores a la temperatura más alta de cualquier material conocido actualmente", dijo el físico Ivan Bozovic, quien lidera el Grupo de Epitaxia del Haz Molecular de Óxidoen el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. DOE y coautor del 3 de agosto ciencia documento que informa sobre el descubrimiento. "Este nuevo resultado - que la resistividad eléctrica del LSCO se escala linealmente con la intensidad del campo magnético a bajas temperaturas - proporciona más evidencia de que los superconductores de alta temperatura no se comportan como metales o superconductores comunes. Una vez que podamoselaboremos una teoría para explicar su comportamiento inusual, sabremos si y dónde buscar superconductores que puedan transportar grandes cantidades de corriente eléctrica a temperaturas más altas, y tal vez incluso a temperatura ambiente ".
Los cupratos como el LSCO son normalmente aislantes. Solo cuando se enfrían a unos cientos de grados bajo cero y se modifican las concentraciones de su composición química un proceso llamado dopaje para hacerlos metálicos, sus electrones móviles pueden emparejarse para formar un"superfluido" que fluye sin resistencia. Los científicos esperan que entender cómo los cupratos logran esta increíble hazaña les permitirá desarrollar superconductores a temperatura ambiente, lo que haría que la generación y entrega de energía sea significativamente más eficiente y menos costosa.
En 2016, el grupo de Bozovic informó que el estado superconductor de LSCO no se parece en nada al explicado por la teoría generalmente aceptada de la superconductividad clásica; depende del número de pares de electrones en un volumen dado en lugar de la fuerza de la interacción de emparejamiento de electrones.En un experimento de seguimiento publicado al año siguiente, obtuvieron otro resultado desconcertante: cuando LSCO está en su estado no superconductor normal o "metálico", sus electrones no se comportan como un líquido, como se esperaría del estándarcomprensión de los metales.
"La comunidad de física de la materia condensada se ha dividido sobre esta pregunta más básica: ¿los comportamientos de los cupratos caen dentro de las teorías existentes para superconductores y metales, o hay principios físicos profundamente diferentes involucrados?", Dijo Bozovic.
Continuando con este estudio integral de varias partes que comenzó en 2005, el grupo y los colaboradores de Bozovic ahora han encontrado evidencia adicional para apoyar la última idea de que las teorías existentes son incompletas. En otras palabras, es posible que estas teorías no abarquen todo el material conocido.Tal vez hay dos tipos diferentes de metales y superconductores, por ejemplo.
"Este estudio apunta a otra propiedad del extraño estado metálico en los cupratos que no es típico de los metales: magnetorresistencia lineal en campos magnéticos muy altos", dijo Bozovic. "A bajas temperaturas donde se suprime el estado superconductor, la resistividad eléctricade LSCO se escala linealmente en línea recta con el campo magnético; en los metales, esta relación es cuadrática forma una parábola ".
Para estudiar la magnetorresistencia, Bozovic y los miembros del grupo Anthony Bollinger, Xi He y Jie Wu primero tuvieron que crear películas finas de LSCO sin cristales cerca de su nivel óptimo de dopaje. Usaron una técnica llamada epitaxia de haz molecular, en la cualSe disparan haces separados que contienen átomos de los diferentes elementos químicos sobre un sustrato de cristal único calentado. Cuando los átomos aterrizan en la superficie del sustrato, se condensan y crecen lentamente en capas ultrafinas, formando una sola capa atómica a la vez.del cristal se produce en condiciones altamente controladas de ultra alto vacío para garantizar que las muestras no se contaminen.
"La contribución clave de Brookhaven Lab a este estudio es esta plataforma de síntesis de materiales", dijo Bozovic. "Nos permite adaptar la composición química de las películas para diferentes estudios y nos proporciona la base para observar las verdaderas propiedades de los materiales superconductores,a diferencia de las propiedades inducidas por defectos de muestra o impurezas "
Luego, los científicos diseñaron las películas delgadas en tiras que contienen cables de voltaje para poder medir la cantidad de corriente eléctrica que fluye a través de LSCO bajo un campo magnético aplicado.
Realizaron mediciones iniciales de magnetorresistividad con dos imanes de 9 Tesla en Brookhaven Lab; para referencia, la fuerza de los imanes utilizados en las máquinas de resonancia magnética MRI de hoy en día es típicamente de hasta 3 Tesla. Luego, trajeron sus mejores muestras aquellos con las mejores cualidades estructurales y de transporte a la Instalación de campo pulsado. Ubicada en el Laboratorio Nacional de Los Alamos del DOE, esta instalación de usuarios internacionales es parte del Laboratorio Nacional de Campo Magnético Alto, que alberga algunos de los imanes más fuertes del mundo.la Instalación de campo pulsado colocó las muestras en un imán pulsado de 80 Tesla, alimentado por pulsos rápidos o disparos, de corriente eléctrica. El imán produce campos magnéticos tan grandes que no puede ser energizado por más de un período de tiempo muy corto microsegundos auna fracción de segundo sin destruirse a sí mismo
"Este imán grande, que es del tamaño de una habitación y consume la electricidad de una ciudad pequeña, es la única instalación de este tipo en este continente", dijo Bozovic. "Solo tenemos acceso una vez al año si tenemos suerte, así que elegimos nuestras mejores muestras para estudiar "
En octubre, los científicos tendrán acceso a un imán más fuerte 90 Tesla, que utilizarán para recopilar datos adicionales de magnetorresistencia para ver si la relación lineal aún se mantiene.
"Si bien no espero ver algo diferente, esta mayor intensidad de campo nos permitirá expandir el rango de niveles de dopaje en los que podemos suprimir la superconductividad", dijo Bozovic. "Recopilar más datos en un rango más amplio de composiciones químicas lo haráayudar a los teóricos a formular la última teoría de la superconductividad a alta temperatura en cupratos ".
En el próximo año, Bozovic y los otros físicos colaborarán con los teóricos para interpretar los datos experimentales.
"Parece que el movimiento fuertemente correlacionado de los electrones está detrás de la relación lineal que observamos", dijo Bozovic. "Hay varias ideas sobre cómo explicar este comportamiento, pero en este punto, no destacaría ninguno de ellos."
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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