Los científicos han descubierto un proceso clave necesario para superconductividad Se trata de un superconductor que funciona a temperaturas más altas de lo que se creía. Podría ser un pequeño pero significativo paso en la búsqueda de uno de los «santos griales» de la física: un superconductor que funcione a temperatura ambiente.
El descubrimiento, realizado dentro del improbable material de un aislante eléctrico, revela electrones emparejándose a temperaturas de hasta menos 190 grados Fahrenheit (menos 123 grados Celsius), uno de los ingredientes secretos para el flujo de electricidad casi sin pérdidas en materiales superconductores extremadamente fríos.
Hasta ahora, los físicos no entienden por qué sucede esto, pero comprenderlo podría ayudarlos a encontrar superconductores a temperatura ambiente. Los investigadores publicaron sus hallazgos el 15 de agosto en la revista Ciencia.
«Los pares de electrones nos están diciendo que están listos para ser superconductores, pero algo los detiene», dijo el coautor Ke Jun Xuestudiante de posgrado en física aplicada en la Universidad de Stanford, dijo en un comunicado«Si podemos encontrar un nuevo método para sincronizar los pares, podríamos aplicarlo a la posible construcción de superconductores de mayor temperatura».
La superconductividad surge de las ondulaciones que dejan las estelas de los electrones a medida que se desplazan a través de un material. A temperaturas lo suficientemente bajas, estas ondulaciones atraen los núcleos atómicos entre sí, lo que a su vez provoca una ligera desviación de la carga que atrae un segundo electrón hacia el primero.
Normalmente, dos cargas negativas deberían repelerse, pero en lugar de eso, ocurre algo extraño: los electrones se unen y forman un «par de Cooper».
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Los pares de Cooper siguen diferentes mecánica cuántica Las reglas son más diferentes que las de los electrones solitarios. En lugar de apilarse hacia afuera en capas de energía, actúan como partículas de luz, de las cuales una cantidad infinita puede ocupar el mismo punto en el espacio al mismo tiempo. Si se crean suficientes pares de Cooper en un material, se convierten en un superfluido que fluye sin ninguna pérdida de energía debido a la resistencia eléctrica.
Los primeros superconductores, descubiertos por el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes en 1911, pasaron a este estado de resistividad eléctrica cero a temperaturas inimaginablemente frías, cerca cero absoluto (menos 459,67 F, o menos 273,15 C). Sin embargo, en 1986, los físicos encontraron un material a base de cobre, llamado cuprato, que se convierte en un superconductor a una temperatura mucho más cálida (pero aún muy fría) de menos 211 F (menos 135 C).
Los físicos esperaban que este descubrimiento les llevara a la creación de superconductores a temperatura ambiente. Sin embargo, la comprensión de las causas de que los cupratos presenten su inusual comportamiento se desaceleró y, el año pasado, las afirmaciones virales sobre superconductores viables a temperatura ambiente terminaron en denuncias de falsificación de datos y decepción.
Para investigar más a fondo, los científicos responsables de la nueva investigación recurrieron a un cuprato conocido como óxido de neodimio, cerio y cobre. La temperatura máxima superconductora de este material es relativamente baja, de -248 ºC (-414,67 ºF), por lo que los científicos no se han molestado en estudiarlo mucho. Pero cuando los investigadores del estudio proyectaron luz ultravioleta sobre su superficie observaron algo extraño.
Por lo general, cuando los paquetes de luz, o fotones, chocan con un cuprato que lleva electrones desapareados, los fotones les dan a los electrones suficiente energía para ser expulsados del material, lo que hace que este pierda mucha energía. Pero los electrones en pares de Cooper pueden resistir su expulsión fotónica, lo que hace que el material pierda solo un poco de energía.
A pesar de que su estado de resistencia cero solo se produce a temperaturas muy bajas, los investigadores descubrieron que la brecha de energía persistía en el nuevo material hasta 150 K, y que el emparejamiento era, extrañamente, el más fuerte en la mayoría de las muestras que resistían mejor el flujo de corriente eléctrica.
Esto significa que, si bien es poco probable que el cuprato alcance la superconductividad a temperatura ambiente, podría contener algunas pistas para encontrar un material que pueda hacerlo.
«Nuestros hallazgos abren un camino nuevo y potencialmente enriquecedor. Planeamos estudiar esta brecha de emparejamiento en el futuro para ayudar a diseñar superconductores utilizando nuevos métodos», dijo en el comunicado el autor principal Zhi-Xun Shen, profesor de física en Stanford. «Por un lado, planeamos utilizar enfoques experimentales similares para obtener más información sobre este estado de emparejamiento incoherente. Por otro lado, queremos encontrar formas de manipular estos materiales para tal vez obligar a estos pares incoherentes a sincronizarse».
