Todos los personajes tienen una historia de fondo, al igual que los superconductores de alta temperatura, que conducen la electricidad sin pérdidas a temperaturas mucho más altas de lo que los científicos creían posible. Para descubrir cómo funcionan, los investigadores deben comprender su estado "normal",lo que da lugar a la superconductividad cuando el material se enfría por debajo de una temperatura de transición crítica y la densidad de los electrones que fluyen libremente se ajusta en un proceso conocido como "dopaje".
Incluso en su estado normal, estos materiales son bastante peculiares. Ahora, un experimento en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía ha investigado el estado normal con mayor precisión que nunca y descubrió un cambio abrupto en el comportamiento de los electrones en el quede repente abandonan su individualidad y se comportan como una sopa de electrones.
Un equipo de investigación de SLAC y la Universidad de Stanford describió los resultados en ciencia .
"Se sospecha que la anormalidad de este estado normal es la razón por la cual estos superconductores son tan buenos superconductores", dice Dirk Van Der Marel, investigador de la Universidad de Ginebra que no participó en el estudio.
"Este estudio esencialmente ha derrocado una teoría muy popular y acaloradamente debatida, llamada teoría cuántica de puntos críticos, que se cree que subyace en la superconductividad no solo en este material, sino también en otros materiales. Este es un hallazgo disruptivo, pero es undar un paso adelante, porque libera nuestras mentes para explorar otras ideas "
Explorando un cuprate conocido
El estudio se llevó a cabo en un compuesto llamado Bi2212, uno de los superconductores de alta temperatura más estudiados. Como óxido de cobre o cuprato, es parte de una familia de compuestos donde se descubrió por primera vez la superconductividad de alta temperatura más de 30hace años que.
Los científicos de todo el mundo han estado trabajando desde entonces para comprender cómo funcionan estos materiales, con el objetivo de encontrar superconductores que funcionen a temperatura ambiente para aplicaciones como líneas eléctricas perfectamente eficientes.
Una de las herramientas más importantes para estudiar estos materiales es la espectroscopía de fotoemisión de ángulo resuelto ARPES. Utiliza luz, en este caso un haz de luz ultravioleta de la fuente de luz de radiación sincrotrón Stanford SSRL de SLAC para expulsar electronesdel material y medir su energía e impulso. Esto revela cómo se comportan los electrones dentro del material, lo que a su vez determina sus propiedades.
En la superconductividad, por ejemplo, los electrones superan su repulsión mutua y forman una especie de sopa colectiva en la que pueden emparejarse y superar obstáculos sin perder nada de su energía.
electrones frustrados
Las generaciones anteriores de los llamados superconductores convencionales, que funcionan solo a temperaturas extremadamente bajas, son metales convencionales en su estado normal, donde sus electrones actúan de forma independiente, como lo hacen en la mayoría de los materiales.
Pero en cupratos, la imagen es muy diferente. Incluso en su estado normal, no superconductor, los electrones parecen reconocerse y actuar colectivamente, como si se estuvieran arrastrando, en lo que se conoce como "metal extraño" e inclusocomportamiento de "metal extraño incoherente".
"De alguna manera puedes pensar que estos electrones están frustrados", dijo Zhi-Xun Shen, profesor de Stanford y SLAC e investigador del Instituto Stanford de Ciencias de Materiales y Energía SIMES en SLAC que dirigió el estudio."En otras palabras, los electrones han perdido su identidad individual y se han convertido en parte de la sopa. Este es un estado realmente interesante y desafiante para describir de manera teórica".
Ha sido difícil explorar estos fascinantes estados normales a las temperaturas cálidas donde ocurren, dijo Su-Di Chen, un estudiante graduado de Stanford que realizó los experimentos con el investigador postdoctoral del SLAC Yu He, el postdoc Stanford Jun-Feng He y el científico de SSRL MakotoHashimoto. La parte teórica del estudio en SLAC fue dirigida por el Director SIMES Thomas Devereaux.
Un límite sorprendentemente nítido
En los experimentos ARPES, las muestras generalmente se colocan en un ambiente frío dentro de una cámara de vacío para minimizar la contaminación de la superficie, Chen dijo: "Pero incluso si las coloca en un vacío ultra alto, las moléculas de gas residual aún pueden adherirse almuestra la superficie y afecta la calidad de nuestra medición. Este problema empeora cuando calienta el entorno alrededor de la muestra a las temperaturas donde existen los estados normales ".
Para evitar esto, dijo Hashimoto, el equipo encontró una manera de calentar la muestra, que es aproximadamente del tamaño de la punta de un bolígrafo, calentando solo la parte de la configuración que lo sostiene mientras mantiene todo lo demás frío.Esto les permitió examinar el comportamiento de los electrones en un rango de temperaturas y niveles de dopaje.
"Lo que vimos fue que a medida que aumenta el nivel de dopaje, hay un límite muy agudo", dijo Hashimoto. "Por un lado, los electrones están atascados o frustrados. Luego, a medida que se agregan más electrones, de repente comienzan a moversesuavemente, una indicación de que el material ahora es un metal convencional. Se sabía que esta transición ocurría, pero el hecho de que fuera tan filoso fue una verdadera sorpresa ".
Un desafío para la teoría
Los resultados plantean un desafío para los teóricos que aún luchan por explicar cómo funcionan los superconductores de alta temperatura, dijo el coautor del estudio, Jan Zaanen, físico teórico de la Universidad de Leiden en los Países Bajos.
La teoría actual predice que debido a que los cambios en la naturaleza de Bi2212 son graduales a temperaturas superconductoras muy bajas, también deberían ser graduales a las temperaturas más altas donde el material está en un estado normal, dijo. En cambio, los cambios de alta temperatura sonabrupto, como lo que sucede cuando una olla de agua comienza a hervir: puedes ver agua o burbujas de vapor en la olla, pero nada en el medio.
"Hay una serie de razones para creer que el metal extraño en el estado normal puede ser un ejemplo de materia densamente enredada", dijo Zaanen. "El enredo es la propiedad del mundo cuántico que lo distingue claramente de cualquier cosa clásica.¡No tenemos máquinas teóricas, ya sean computadoras clásicas o las matemáticas disponibles, que puedan describirlo!
"Pero las computadoras cuánticas están diseñadas para manejar cosas tan densamente enredadas", dijo. "Mi sueño es que estos resultados eventualmente lleguen a la cima de la lista de problemas de referencia para que la comunidad de computación cuántica los resuelva".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio nacional de aceleración DOE / SLAC . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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