Cuando se trata de superconductores de alta temperatura, "alto" es un término relativo. En el campo de la superconductividad, "alta temperatura" significa cualquier cosa que pueda ser superconductora a más de 30 grados Kelvin K, o un balsámico -405 gradosFahrenheit F.
El primer superconductor de alta temperatura se descubrió en 1986, en compuestos cerámicos de cobre y oxígeno conocidos como cupratos. Estos materiales podrían alcanzar la superconductividad alrededor
35 grados Kelvin o -396.67 grados Fahrenheit. En las décadas siguientes, ese límite de temperatura aumentó y, hasta la fecha, los investigadores han alcanzado la superconductividad en cupratos a temperaturas de hasta 135 grados Kelvin.
Sin duda, es un progreso importante, pero la superconductividad a temperatura ambiente, que requiere operación a 300 grados Kelvin, aún está muy lejos, si no imposible.
Uno de los mayores obstáculos es que los investigadores aún no entienden los mecanismos subyacentes completos de la superconductividad de cuprato y por qué hay tanta variabilidad en la temperatura de transición superconductora entre los compuestos de cuprato.
Ahora, los investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas SEAS John A. Paulson de Harvard pueden tener la respuesta. Los investigadores, dirigidos por Xin Li, Profesor Asistente de Ciencia de Materiales en SEAS, descubrieron que la fuerza de un químico en particularla unión en compuestos de cuprato impacta la temperatura a la cual el material alcanza la superconductividad.
La investigación se publica en Cartas de revisión física .
"Este podría ser un nuevo comienzo para diseñar materiales con superconductividad a alta temperatura", dijo Li. "Nuestra investigación arroja luces sobre un componente clave de los fenómenos complicados en cupratos y nos señala una nueva y emocionante dirección para el diseño de materiales"."
Todos los cupratos tienen los mismos componentes estructurales: planos en capas de peróxido de cobre CuO 2 con un ion de oxígeno fuera del plano, conocido como oxígeno apical.Este ion de oxígeno se encuentra por encima de cada átomo de cobre en el CuO 2 plano, como una boya en la superficie del agua. La diferencia clave entre los compuestos de cuprato proviene de qué otro elemento está unido a la boya de oxígeno. Este elemento se conoce como el catión apical y puede ser una variedad de elementos que incluyen lantano, bismuto, cobre o mercurio.
La temperatura a la cual el material se vuelve superconductor cambia dependiendo del elemento que se use, pero nadie sabe realmente por qué.
Al comparar la simulación y los experimentos, Li y su equipo demostraron que la clave es el enlace entre el catión apical y el oxígeno apical: cuanto más fuerte es el enlace químico, mayor es la temperatura a la que el material se vuelve superconductor.
¿Pero por qué este enlace eleva las temperaturas superconductoras?
Los superconductores a menudo se describen como autopistas de electrones, o carriles de supercarpool, en los que los electrones emparejados son automóviles y el material superconductor es el camino especial sin fricción para que los automóviles se muevan.
Sin embargo, los electrones realmente no se mueven a través de un superconductor de alta temperatura como un automóvil en una carretera. En cambio, saltan. Este proceso de salto se hace mucho más fácil cuando la red cristalina en la que se mueven los electrones oscila en un determinadocamino.
Un fuerte enlace químico entre el anión apical y el catión apical aumenta la oscilación tanto de la red como de la corriente eléctrica inducida.
Imagine una cometa atada a una boya y muchas de estas unidades se alinean. Si el vínculo entre la cometa y la boya es fuerte, la cometa puede tirar de la boya hacia arriba y hacia abajo, causando ondas y salpicaduras en el agua.las ondas son similares a la oscilación de la red y las salpicaduras representan los electrones que se expulsan del CuO 2 plano. Las ondas y las salpicaduras no son caóticas, sino que cooperan con ciertas reglas que le dicen a los niños cómo oscilar de la mejor manera para ayudar al electrón a saltar fácilmente a lo largo del material.
"Demostramos que esta unidad estructural, la capa de oxígeno de cobre, el anión apical y el catión apical, es un componente fundamental que puede acoplarse dinámicamente para controlar las propiedades superconductoras del material", dijo Li.abre una vía completamente nueva para explorar las propiedades superconductoras de los materiales "
A continuación, los investigadores pretenden explorar cómo este nuevo efecto afecta nuestra comprensión del misterioso diagrama de fases en los superconductores de alta temperatura, incluido el mecanismo de emparejamiento en estos superconductores.
Esta investigación fue coautora del Dr. Post Sooran Kim y los estudiantes de posgrado Xi Chen y William Fitzhugh en el grupo del Prof. Xin Li. Fue respaldada por los recursos computacionales del Extreme Science and Engineering Discovery Environment XSEDE y Odysseygrupo de la División de Ciencia FAS, Grupo de Computación de Investigación en la Universidad de Harvard.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences . Original escrito por Leah Burrows. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :