El rendimiento perfecto de los superconductores podría revolucionar todo, desde la infraestructura de energía a escala de red hasta la electrónica de consumo, si solo pudieran ser forzados a operar por encima de temperaturas frías. Incluso los llamados superconductores de alta temperatura HTS deben enfriarse a cientos de gradosFahrenheit bajo cero.
Ahora, los científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. DOE y la Universidad de Yale han descubierto un comportamiento nuevo y sorprendente de los electrones en un material HTS. Los resultados, publicados el 27 de julio en la revista Naturaleza , describa el flujo de electrones que rompe la simetría a través de superconductores de óxido de cobre cuprato. El comportamiento puede estar relacionado con el mecanismo siempre evasivo detrás de HTS.
"Nuestro descubrimiento desafía una piedra angular de la física de la materia condensada", dijo el autor principal y físico de Brookhaven Lab Jie Wu. "Estos electrones parecen espontáneamente 'elegir' sus propios caminos a través del material, un fenómeno en oposición directa a las expectativas".
Electrones fuera de carretera
En metales simples, los electrones se mueven de manera uniforme y sin preferencia direccional; piense en un líquido que se extiende sobre una superficie. Los materiales HTS en este estudio tienen una simetría rotacional cuádruple de la estructura cristalina. Se espera que la corriente eléctrica fluyauniformemente paralelo a estas capas, pero esto no es lo que observó el grupo Brookhaven.
"Soy del Medio Oeste, donde millas de tierras de cultivo separan las ciudades", dijo el físico y coautor del estudio de Brookhaven, Anthony Bollinger. "Los caminos rurales entre las ciudades están en gran medida dispuestos como una cuadrícula que va de norte a sur y este-hacia el oeste. Esperas que los autos sigan la cuadrícula, que está hecha a medida para ellos. Esta ruptura de simetría es como si todos decidieran abandonar las carreteras pavimentadas y conducir directamente a través de los campos de los granjeros ".
En otro giro, el voltaje de ruptura de simetría persistió hasta la temperatura ambiente y en todo el rango de composiciones químicas que los científicos examinaron.
"Los electrones de alguna manera coordinan su movimiento a través del material, incluso después de que la superconductividad falla", dijo Wu.
Las fuertes interacciones electrón-electrón pueden ayudar a explicar la dirección preferencial del flujo de corriente. A su vez, estas peculiaridades electrónicas intrínsecas pueden compartir una relación con los fenómenos HTS y ofrecer una pista para decodificar su mecanismo desconocido.
Buscando la perfección atómica
A diferencia de la superconductividad clásica bien entendida, HTS ha intrigado a los científicos durante más de tres décadas. Ahora, las técnicas avanzadas ofrecen ideas sin precedentes.
"La parte más difícil de todo el trabajo, y lo que nos ayuda a distinguirnos, fue la síntesis meticulosa del material", dijo el coautor del estudio, Xi He.
Este trabajo fue parte de un proyecto más grande que tomó 12 años y abarcó la síntesis y el estudio de más de 2,000 películas de superconductores de lantano-estroncio-óxido de cobre-óxido.
"Esta escala de investigación se adapta bien a un entorno de laboratorio nacional", dijo Ivan Bozovic, quien lidera el grupo Brookhaven detrás del esfuerzo.
Utilizan una técnica llamada epitaxia de haz molecular MBE para ensamblar óxidos complejos de una capa atómica a la vez. Para garantizar la perfección estructural, los científicos caracterizan los materiales en tiempo real con difracción de electrones, donde un haz de electrones golpea la muestra y es sensiblelos detectores miden exactamente cómo se dispersa.
"El material en sí mismo es nuestra base, y debe ser lo más perfecto posible para garantizar que las propiedades observadas sean intrínsecas", dijo Bozovic. "Además, en virtud de nuestra síntesis 'digital', diseñamos las películas en el atómiconivel de capa y optimizarlos para diferentes estudios "
nadando contra la corriente
El primer resultado importante de este estudio exhaustivo realizado por el grupo MBE en Brookhaven se publicó en Naturaleza el año pasado. Demostró que el estado superconductor en los materiales de óxido de cobre es bastante inusual, desafiando la comprensión estándar.
Ese hallazgo sugirió que el llamado estado metálico "normal", que se forma por encima del umbral crítico de temperatura en el que se rompe la superconductividad, también podría ser extraordinario. Mirando cuidadosamente, los científicos observaron que a medida que la corriente externa fluía a través de las muestras, unEl voltaje espontáneo surgió inesperadamente perpendicular a esa corriente.
"Observamos por primera vez este extraño voltaje hace más de una década, pero nosotros y otros lo descartamos como algún tipo de error", dijo Bollinger. "Pero luego apareció una y otra vez y otra vez, bajo condiciones cada vez más controladas,- y nos quedamos sin formas de explicarlo. Cuando finalmente nos zambullimos, los resultados excedieron nuestras expectativas ".
Para precisar el origen del fenómeno, los científicos fabricaron y midieron miles de dispositivos diseñados a partir de las películas HTS. Estudiaron cómo este voltaje espontáneo depende de la dirección actual, la temperatura y la composición química el nivel de dopaje porestroncio, que controla la densidad de electrones. También variaron el tipo y la estructura cristalina de los sustratos sobre los que se cultivan las películas HTS, e incluso cómo se pulen los sustratos.
Estos estudios meticulosos mostraron sin lugar a dudas que el efecto es intrínseco al material HTS en sí mismo y que su origen es puramente electrónico.
A nivel molecular, los líquidos comunes se ven iguales en todas las direcciones. Sin embargo, algunos están compuestos de moléculas en forma de varilla, que tienden a alinearse en una dirección preferida. Tales materiales se llaman cristales líquidos: polarizan la luz y sonampliamente utilizado en pantallas. Mientras que los electrones en los metales comunes se comportan como un líquido, en los cupratos se comportan como un cristal líquido electrónico.
"Necesitamos entender cómo este comportamiento de los electrones encaja en el rompecabezas HTS en su conjunto", dijo. "Este estudio nos da nuevas ideas para perseguir y formas de abordar lo que puede ser el mayor misterio en la física de la materia condensada".Estoy emocionado de ver a dónde nos lleva esta investigación ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Brookhaven . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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