A pesar de un cuarto de siglo de investigación desde el descubrimiento de los primeros superconductores de alta temperatura, los científicos aún no tienen una idea clara de cómo estos materiales pueden conducir electricidad sin pérdida de energía. Los estudios hasta la fecha se han centrado en encontrarorden electrónico y magnético de largo alcance en los materiales, como patrones de espines de electrones, basados en la creencia de que este orden subyace a la superconductividad. Pero un nuevo estudio publicado en línea la semana del 3 de agosto de 2015, en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias está desafiando esta noción.
El estudio, realizado por investigadores del Brookhaven National Laboratory y el Oak Ridge National Laboratory ORNL del Departamento de Energía de EE. UU. DOE, describe cómo un material de telururo de hierro relacionado con una familia de superconductores de alta temperatura desarrolla superconductividad en poco tiempo- orden electrónico o magnético de rango cuando está "dopado" con una pequeña cantidad de azufre. De hecho, el material muestra un estado magnético similar al líquido que consiste en dos fases magnéticas desordenadas y coexistentes, que parecen preceder y pueden estar vinculadas a-su comportamiento superconductor
"Nuestros resultados desafían una serie de paradigmas ampliamente aceptados sobre cómo funcionan los superconductores no convencionales", dijo el investigador principal del estudio, el físico de Brookhaven Igor Zaliznyak. "Creo que hemos descubierto una pista importante sobre la naturaleza del magnetismo y sus conexiones con la superconductividaden los superconductores a base de hierro "
Este avance podría abrir una nueva vía para explorar la aparición de una propiedad con un gran potencial para un uso generalizado. Los superconductores convencionales, que deben enfriarse a temperaturas extremadamente bajas para operar, ya juegan un papel clave en muchas tecnologías modernas, desde la medicinaLa resonancia magnética MRI a los trenes maglev. Nuevas pistas sobre la función de los superconductores no convencionales, que no necesitan ser súper enfriados, podrían conducir a muchas más tecnologías, incluyendo, potencialmente, líneas de transmisión de energía con pérdida de energía cero y otrasaplicaciones energéticas importantes. De hecho, otros materiales basados en una estructura similar al material estudiado aquí pueden operar como superconductores a estas temperaturas "más cálidas", por lo que comprender la física de este pariente cercano tiene muchas implicaciones importantes.
Un baile cuadrado magnético
Zaliznyak y sus colaboradores estudiaron el material superconductor no convencional, hecho de hierro y teluro FeTe, usando dispersión de neutrones en el Reactor de isótopos de alto flujo de ORNL, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencias de DOE. Crearon mapas de dispersión magnética para el material para variostemperaturas y como el material fue dopado con una pequeña cantidad de azufre. Como una fotografía compuesta hecha de varias fotos separadas, los mapas unen muchas "instantáneas" del orden magnético en el material.
Descubrieron que el orden era de naturaleza extremadamente local, existiendo solo por un instante antes de cambiar, una característica de un comportamiento similar a un líquido. De hecho, los resultados revelaron que un cambio fundamental en el patrón local de líquido electrónicoLas correlaciones de giro fueron el cambio clave que acompañó la aparición de la superconductividad con la disminución de la temperatura en este material.
"Las mediciones revelan disposiciones dinámicas de momentos magnéticos similares a los patrones formados por bailarines cuadrados en una pista de baile", dijo Zaliznyak. "A medida que se redujo la temperatura, los átomos magnéticos parecieron cambiar a sus parejas; en este caso, el baileel movimiento fue iniciado por los electrones móviles que finalmente se desarrollan en el estado superconductor "
Una mirada rara al estado líquido
Además de ofrecer información sobre un mecanismo potencial para la aparición de superconductividad a alta temperatura, este trabajo también proporciona información valiosa sobre la naturaleza de los líquidos. A pesar de estar entre los sistemas de materia condensada más comunes, estamos rodeados y en gran parte hechos delos líquidos de agua todavía son poco conocidos a nivel microscópico. De hecho, la naturaleza dinámica y fugaz del orden local en los líquidos es lo que los hace particularmente difíciles de estudiar.
La idea de que los líquidos pueden ser una mezcla de dos "especies" líquidas distintas que tienen estructuras y densidades locales diferentes se remonta a finales del siglo XIX. Incluso ahora, la posible existencia de diferentes "polimorfos" líquidos en fluidos moleculares simples, yLas transiciones de fase líquido-líquido entre ellas continúan recibiendo una atención considerable en el mundo de la investigación, pero el problema no se ha resuelto, principalmente porque la competencia entre las diferentes fases líquidas solo surge a temperaturas muy bajas, a menudo muy por debajo del punto de congelación.
"Sin embargo, en algunos materiales, dicha competencia surge de forma bastante natural en sistemas de momentos magnéticos electrónicos, donde el desarrollo del orden magnético se ve obstaculizado por interacciones competitivas", dijo Zaliznyak. "En estos casos, el material permanece desordenado incluso a temperaturas muy elevadasmás bajo que la energía de las interacciones magnéticas, produciendo así un estado líquido de espín electrónico ".
"Nuestros resultados al estudiar el sistema de centrifugado de FeTe dopado con azufre proporcionan un raro ejemplo experimental de tal polimorfismo líquido"
Más ideas inesperadas
Los resultados del grupo también refutan otro conjunto de puntos de vista ampliamente aceptados de los estados electrónicos en los metales, donde a los electrones solo se les permite ocupar un cierto conjunto de bandas de energía rígidas. El estado de espín líquido que descubrieron parece reflejar la existencia de nuevos electroneshíbridos orbitales, probablemente como resultado del dopaje con azufre, pero también provocado por cambios en la temperatura.
"Este es un descubrimiento sorprendente que requiere una revisión profunda del modelo de 'unión estrecha' de los orbitales de electrones", dijo Zaliznyak.
Él y su grupo también pueden haber encontrado una explicación para los misteriosos patrones de dispersión de neutrones observados por otros grupos que estudian muestras de superconductores a base de hierro.
"Parece que toda la variedad en los patrones de neutrones que se han observado en estos materiales puede ser bien descrita por nuestro modelo de líquido de espín", dijo. "Todos se manifiestan con correlaciones locales muy similares, revelando que podemoshan encontrado una asombrosa universalidad intrínseca entre ellos "
Zaliznyak concibió los experimentos y realizó las mediciones de dispersión de neutrones con Andrei Savici de ORNL y el científico de instrumentación de ORNL Mark Lumsden sobre materiales sintetizados por Rongwei Hu y Cedomir Petrovic en el Departamento de Ciencia de Materiales y Física de la Materia Condensada de Brookhaven. El físico teórico de Brookhaven Lab Alexei Tsvelik proporcionó apoyo teóricoy orientación durante todo el proyecto.
"La validación teórica de nuevas ideas fue absolutamente esencial para nuestro éxito", dijo Zaliznyak.
El trabajo en Brookhaven fue apoyado por la Oficina de Ciencias Oficina de Ciencias Básicas de Energía del Departamento de Energía de EE. UU., En parte a través del Centro de Superconductividad Emergente, un Centro de Investigación de la Frontera Energética del DOE. La investigación en ORNL fue patrocinada por el Usuario CientíficoDivisión de Instalaciones dentro de la Oficina de Ciencias Básicas de Energía.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional Brookhaven . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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