Un equipo internacional dirigido por investigadores de la Universidad de Princeton ha observado directamente un sorprendente efecto cuántico en un superconductor que contiene hierro a alta temperatura.
Los superconductores conducen la electricidad sin resistencia, lo que los hace valiosos para la transmisión de electricidad a larga distancia y muchas otras aplicaciones de ahorro de energía. Los superconductores convencionales funcionan solo a temperaturas extremadamente bajas, pero ciertos materiales a base de hierro descubiertos hace aproximadamente una década pueden superconducir a temperaturas relativamente altastemperaturas y han llamado la atención de los investigadores.
Exactamente cómo se forma la superconductividad en los materiales a base de hierro es algo misterioso, especialmente porque el magnetismo del hierro parece entrar en conflicto con el surgimiento de la superconductividad. Una comprensión más profunda de los materiales no convencionales como los superconductores a base de hierro podría conducir eventualmente a nuevas aplicaciones paratecnologías de ahorro de energía de próxima generación.
Los investigadores probaron el comportamiento de los superconductores a base de hierro cuando se agregan impurezas, a saber, átomos de cobalto, para explorar cómo se forma y disipa la superconductividad. Sus hallazgos condujeron a nuevas ideas sobre una teoría de 60 años sobre cómo se comporta la superconductividad.El estudio fue publicado en la revista Cartas de revisión física esta semana
Agregar impurezas es una forma útil de aprender sobre el comportamiento de los superconductores, dijo M. Zahid Hasan, profesor de física de Eugene Higgins en la Universidad de Princeton, quien dirigió el equipo de investigación. "Es como la forma en que investigamos el comportamiento de las ondas deagua en el lago arrojando una piedra ", dijo." La forma en que las propiedades superconductoras reaccionan a la impureza revela sus secretos con detalles a nivel cuántico ".
Una idea de larga data conocida como el teorema de Anderson predice que aunque agregar impurezas puede introducir desorden en un superconductor, en muchos casos, no destruirá la superconductividad. El teorema fue presentado en 1959 por el físico ganador del Premio Nobel Philip Anderson, Princeton's JosephHenry Profesor de Física, Emérito. Pero siempre hay excepciones a la regla.
El cobalto parece ser una de estas excepciones. Contrariamente a la teoría, la adición de cobalto obliga al superconductor a base de hierro a perder su capacidad superconductora y convertirse en un metal ordinario, en el que la electricidad fluye con resistencia y desperdicia su energía como calor.
Hasta ahora, no estaba claro cómo sucede esto.
Para explorar este fenómeno, el equipo de investigadores de Princeton utilizó una técnica conocida como microscopía de túnel de barrido, que es capaz de obtener imágenes de átomos individuales, para estudiar un superconductor a base de hierro hecho de litio, hierro y arsénico.
Introdujeron impurezas no magnéticas en forma de átomos de cobalto en el superconductor para ver cómo se comportaba.
Los investigadores midieron una gran cantidad de muestras a temperaturas extremadamente bajas, aproximadamente menos 460 grados Fahrenheit 400 grados miliKelvin, que es más frío que el espacio exterior en casi diez grados Fahrenheit. En estas condiciones, los investigadores localizaron e identificaron cada átomo de cobaltoen la red cristalina, y luego midió directamente el efecto que tuvo sobre la superconductividad tanto en la escala atómicamente local como en las propiedades superconductoras globales de la muestra.
Para hacer esto, los investigadores estudiaron más de 30 cristales en ocho concentraciones diferentes a estas temperaturas extremadamente bajas con resolución de nivel atómico. "No hay garantía de que ningún cristal nos brinde los datos de alta calidad que necesitamos", dijo Songonia SoniaZhang, un estudiante graduado y coautor del estudio.
Como resultado de este extenso experimento, el equipo descubrió que cada átomo de cobalto tiene un impacto local limitado que desaparece uno o dos átomos de distancia de la impureza. Sin embargo, hay una evolución fuerte y sistemática a través de una transición de fase a unestado normal, no superconductor a medida que aumenta la concentración de cobalto. La superconductividad eventualmente se destruye completamente al introducir más átomos de cobalto.
La superconductividad se debe al emparejamiento de dos electrones para formar un solo estado cuántico descrito por una propiedad conocida como función de onda. Este emparejamiento permite que los electrones atraviesen un material sin la resistencia típica que ocurre en los metales cotidianos. La energía mínimarequerido para dispersar los electrones y romper los pares se llama "brecha de energía superconductora".
Cuando se agregan átomos de cobalto, la fuerza de dispersión se puede describir de dos maneras: el límite fuerte o unitario y el límite débil o Born. La dispersión en el límite de Born, llamado así por el físico Max Born, tiene el potencial más débilpara perturbar las funciones de onda de electrones que son cruciales para la interacción electrón-electrón y, por lo tanto, el emparejamiento de electrones.
Al reemplazar los átomos de hierro, los átomos de cobalto se comportan como dispersores de límite de Born. Aunque los dispersores de límite de Born tienen un potencial relativamente débil para interrumpir la superconductividad, cuando muchos se combinan pueden destruir la superconductividad.
Los investigadores descubrieron que para el material de arseniuro de hierro y litio, la dispersión en el límite de Born aparentemente puede violar el teorema de Anderson, lo que lleva a una transición de fase cuántica de un estado superconductor a uno no superconductor.
Los materiales superconductores pueden describirse mediante una característica conocida como espectro de túnel, que proporciona una descripción del comportamiento de los electrones en un material y actúa como un perfil de distribución de energía de un electrón. El material de arseniuro de litio y hierro tiene lo que se conoce como un "S"onda" caracterizada por un fondo plano "en forma de U" en la brecha de energía superconductora. Una brecha superconductora completamente abierta indica la calidad de los materiales superconductores.
En un giro sorprendente, las impurezas de cobalto no solo suprimen la superconductividad, sino que también cambian la naturaleza de la brecha a medida que evoluciona de una forma de U a una forma de V. La forma de la brecha superconductora generalmente refleja el "parámetro de orden, "que describe la naturaleza de la superconductividad. Tal forma es característica de los parámetros de orden que solo ocurren en un número único de superconductores de alta temperatura e insinúa un comportamiento extremadamente poco convencional.
La transformación aparente a través de un cambio en el parámetro de orden por ejemplo, reflejado en las mediciones por el cambio en la forma del espacio superconductor solo se suma al rompecabezas cuántico.
Esta evolución es inusual y llevó a los investigadores a profundizar su investigación. Al combinar los cálculos teóricos con las mediciones magnéticas, pudieron confirmar la naturaleza no magnética de la dispersión de cobalto.
Dado que el teorema de Anderson establece que las impurezas no magnéticas deberían tener poco efecto en este tipo de superconductor, los investigadores se dieron cuenta de que había que desarrollar una teoría alternativa.
En los superconductores a base de hierro, los científicos han especulado que hay un cambio de signo para la fase del parámetro del orden superconductor en diferentes "bolsas de Fermi", los contornos de energía que se forman debido a las reglas por las cuales los electrones ocupan la estructura cristalina.
"Ingenuamente, distinguir entre la superconductividad convencional y la superconductividad que cambia los signos requiere una medición sensible a la fase del parámetro del orden superconductor, que puede ser extremadamente difícil", dijo Ilya Belopolski, investigador postdoctoral en el grupo de Hasan y coautor del estudio"Un aspecto hermoso de nuestro experimento es que al considerar las violaciones del teorema de Anderson, podemos evitar este requisito".
De hecho, el equipo descubrió que al introducir tal cambio de signo en el parámetro de orden de la superconductividad, podían reproducir la evolución extraña de las impurezas de cobalto. Yendo más allá de estos cálculos iniciales, el equipo empleó otros tres estados:métodos teóricos de última generación para demostrar el impacto de los dispersadores de cobalto no magnéticos en este superconductor que cambia de signo.
"El hecho de que tres modelos teóricos diferentes apunten a la misma explicación demuestra que esta es una conclusión sólida", dijo Jia-Xin Yin, investigador asociado postdoctoral y otro coautor del estudio. En la búsqueda para resolver el problemamisterios de la superconductividad, se desarrollan modelos complicados que no siempre coinciden entre sí. En este caso, dijo Yin, "los resultados independientes del modelo determinan inequívocamente que este es un superconductor exótico que cambia de signos y que originalmente no fue considerado por el trabajo de Anderson".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Princeton . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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