Los científicos que buscan comprender el mecanismo que subyace a la superconductividad en cupratos "ordenados en franjas", materiales de óxido de cobre con áreas alternas de carga eléctrica y magnetismo, descubrieron un estado metálico inusual al intentar desactivar la superconductividad. Encontraron que bajo lacondiciones de su experimento, incluso después de que el material pierde su capacidad para transportar corriente eléctrica sin pérdida de energía, conserva algo de conductividad, y posiblemente los pares de electrones o huecos necesarios para su superpotencia superconductora.
"Este trabajo proporciona evidencia circunstancial de que la disposición ordenada por franjas de cargas y magnetismo es buena para formar los pares de carga-portador requeridos para que surja la superconductividad", dijo John Tranquada, físico del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU.
Tranquada y sus coautores del Laboratorio Brookhaven y el Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético de la Universidad Estatal de Florida, donde se realizó parte del trabajo, describen sus hallazgos en un artículo recién publicado en avances científicos . Un artículo relacionado en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias por el coautor Alexei Tsvelik, teórico del Brookhaven Lab, proporciona información sobre los fundamentos teóricos de las observaciones.
Los científicos estaban estudiando una formulación particular de óxido de cobre y bario de lantano LBCO que exhibe una forma inusual de superconductividad a una temperatura de 40 Kelvin -233 grados Celsius. Eso es relativamente cálido en el ámbito de los superconductores. Los superconductores convencionales deben serenfriado con helio líquido a temperaturas cercanas a los -273 ° C 0 Kelvin o cero absoluto para transportar corriente sin pérdida de energía. Comprender el mecanismo detrás de esta superconductividad de "alta temperatura" podría guiar el descubrimiento o el diseño estratégico de superconductores que operan a temperaturas más altas.
"En principio, tales superconductores podrían mejorar la infraestructura de energía eléctrica con líneas de transmisión de energía sin pérdida de energía", dijo Tranquada, "o usarse en potentes electroimanes para aplicaciones como imágenes de resonancia magnética MRI sin la necesidad de un costoso enfriamiento. "
El misterio de la alta Tc
LBCO fue el primer superconductor de alta temperatura alta Tc descubierto hace unos 33 años. Consiste en capas de óxido de cobre separadas por capas compuestas de lantano y bario. El bario aporta menos electrones que el lantano al óxido de cobrecapas, por lo que en una proporción particular, el desequilibrio deja vacantes de electrones, conocidos como huecos, en los planos de cuprato. Esos huecos pueden actuar como portadores de carga y emparejarse, al igual que los electrones, y a temperaturas inferiores a 30 K, la corriente puede moverse a través delmaterial sin resistencia en tres dimensiones, tanto dentro como entre las capas.
Una característica extraña de este material es que, en las capas de óxido de cobre, a la concentración particular de bario, los agujeros se segregan en "franjas" que se alternan con áreas de alineación magnética. Desde este descubrimiento, en 1995, ha habido muchodebate sobre el papel que juegan estas rayas en la inducción o inhibición de la superconductividad.
En 2007, Tranquada y su equipo descubrieron la forma más inusual de superconductividad en este material a la temperatura más alta de 40 K. Si alteraron la cantidad de bario para que estuviera justo por debajo de la cantidad que permitía la superconductividad 3-D, observaron 2-D superconductividad, es decir, solo dentro de las capas de óxido de cobre, pero no entre ellas.
"Las capas superconductoras parecen desacoplarse entre sí", dijo Tsvelik, el teórico. La corriente aún puede fluir sin pérdida en cualquier dirección dentro de las capas, pero hay resistividad en la dirección perpendicular a las capas. Esta observación fueinterpretado como una señal de que los pares de portadores de carga estaban formando "ondas de densidad de pares" con orientaciones perpendiculares entre sí en capas vecinas. "Es por eso que los pares no pueden saltar de una capa a otra. Sería como intentar fusionarse en el tráficoen una dirección perpendicular. No pueden fusionarse ", dijo Tsvelik.
Las rayas superconductoras son difíciles de matar
En el nuevo experimento, los científicos se sumergieron más profundamente en la exploración de los orígenes de la superconductividad inusual en la formulación especial de LBCO tratando de destruirlo. "A menudo probamos cosas empujándolas al fracaso", dijo Tranquada. Su método deLa destrucción estaba exponiendo el material a poderosos campos magnéticos generados en el estado de Florida.
"A medida que el campo externo se hace más grande, la corriente en el superconductor se hace más y más grande para tratar de cancelar el campo magnético", explicó Tranquada. "Pero hay un límite para la corriente que puede fluir sin resistencia. Encontrar ese límite deberíacuéntanos algo sobre la fuerza del superconductor ".
Por ejemplo, si las franjas de orden de carga y magnetismo en LBCO son malas para la superconductividad, un campo magnético modesto debería destruirla. "Pensamos que tal vez la carga se congelaría en las franjas de modo que el material se convertiría en un aislante".Tranquada dijo.
Pero la superconductividad resultó ser mucho más robusta.
Usando cristales perfectos de LBCO cultivados por el físico Genda Gu de Brookhaven, Yangmu Li, un becario postdoctoral que trabaja en el laboratorio de Tranquada, tomó medidas de la resistencia y conductividad del material bajo diversas condiciones en el Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético. A una temperatura justo por encimacero absoluto sin campo magnético presente, el material exhibía superconductividad 3-D completa. Manteniendo la temperatura constante, los científicos tuvieron que aumentar significativamente el campo magnético externo para hacer desaparecer la superconductividad 3-D. Aún más sorprendente, cuando aumentaronla intensidad del campo aún más, la resistencia dentro de los planos de óxido de cobre bajó a cero nuevamente!
"Vimos la misma superconductividad 2-D que habíamos descubierto a 40K", dijo Tranquada.
Incrementar el campo destruyó aún más la superconductividad 2-D, pero nunca destruyó por completo la capacidad del material para transportar corriente ordinaria.
"La resistencia creció pero luego se estabilizó", señaló Tranquada.
¿Signos de pares persistentes?
Las mediciones adicionales realizadas bajo el campo magnético más alto indicaron que los portadores de carga en el material, aunque ya no son superconductores, aún pueden existir como pares, dijo Tranquada.
"El material se convierte en un metal que ya no desvía el flujo de corriente", dijo Tsvelik. "Siempre que tenga una corriente en un campo magnético, esperará alguna desviación de las cargas, electrones o huecos, en la direcciónperpendicular a la corriente [lo que los científicos llaman efecto Hall]. Pero eso no es lo que sucede. No hay desviación ".
En otras palabras, incluso después de que se destruye la superconductividad, el material conserva una de las firmas clave de la "onda de densidad de pares" que es característica del estado superconductor.
"Mi teoría relaciona la presencia de franjas ricas en carga con la existencia de momentos magnéticos entre ellas con la formación del estado de onda de densidad de pares", dijo Tsvelik. "La observación de desviación sin carga en campo alto muestra que laEl campo puede destruir la coherencia necesaria para la superconductividad sin destruir necesariamente el par de ondas de densidad ".
"Juntas, estas observaciones proporcionan evidencia adicional de que las franjas son buenas para el emparejamiento", dijo Tranquada. "Vemos que la superconductividad 2-D reaparece en un campo alto y luego, en un campo aún más alto, cuando perdemos la superconductividad 2-D, el material no solo se convierte en un aislante. Todavía hay algo de corriente fluyendo. Es posible que hayamos perdido el movimiento coherente de pares entre las franjas, pero es posible que todavía tengamos pares dentro de las franjas que pueden moverse de manera incoherente y darnos un comportamiento metálico inusual."
Este trabajo fue financiado por la Oficina de Ciencias del DOE. El Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético de la Universidad Estatal de Florida cuenta con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Brookhaven . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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