Los físicos solían pensar que la superconductividad, la electricidad que fluía sin resistencia ni pérdida, era un fenómeno de todo o nada. Pero la nueva evidencia sugiere que, al menos en los superconductores de óxido de cobre, no es tan claro.
Los superconductores tienen propiedades asombrosas, y en principio podrían usarse para construir líneas de transmisión sin pérdidas y trenes magnéticos que levitan sobre las pistas superconductoras. Pero la mayoría de los superconductores solo funcionan a temperaturas cercanas al cero absoluto. Esta temperatura, llamada temperatura crítica, esa menudo solo unos pocos grados Kelvin y requiere helio líquido para mantenerse tan frío, lo que hace que tales superconductores sean demasiado caros para la mayoría de los usos comerciales. Sin embargo, algunos superconductores tienen una temperatura crítica mucho más cálida, más cercana a la temperatura del nitrógeno líquido 77K, quees mucho más asequible
Muchos de estos superconductores de mayor temperatura se basan en una forma bidimensional de óxido de cobre.
"Si entendiéramos por qué el óxido de cobre es un superconductor a temperaturas tan altas, podríamos sintetizar uno mejor" que funcione más cerca de la temperatura ambiente 293K, dice el físico de UConn Ilya Sochnikov.
Sochnikov y sus colegas de la Universidad de Rice, Brookhaven National Lab y Yale descubrieron recientemente parte de ese rompecabezas e informan sus resultados el 21 de agosto de Naturaleza .
Su descubrimiento fue sobre cómo se comportan los electrones en los superconductores de óxido de cobre. Los electrones son las partículas que transportan carga eléctrica a través de nuestra electrónica diaria. Cuando un grupo de electrones fluye en la misma dirección, lo llamamos corriente eléctrica. En un circuito eléctrico normal, digamos que el cableado de su casa, los electrones chocan y se empujan entre sí y los átomos circundantes a medida que fluyen. Eso desperdicia algo de energía, lo que deja el circuito como calor. A largas distancias, esa energía desperdiciada realmente puede sumar: transmisión a larga distanciaSegún la Administración de Información Energética, las líneas en los EE. UU. pierden en promedio el 5% de su electricidad antes de llegar a un consumidor.
Pero en un superconductor por debajo de su temperatura crítica, los electrones se comportan de manera totalmente diferente. En lugar de chocar y empujar, se emparejan y se mueven en sincronía con los otros electrones en una especie de onda. Si los electrones en una corriente normal son una corriente apresurada, descoordinadamafia, los electrones en un superconductor son como parejas de baile, deslizándose por el piso como personas en un salón de baile. Es esta danza sin fricción - movimiento coherente - de electrones emparejados lo que hace que un superconductor sea lo que es.
Los electrones son tan felices en pares en un superconductor que se necesita una cierta cantidad de energía para separarlos. Los físicos pueden medir esta energía con un experimento que mide qué tan grande es el voltaje necesario para separar un electrón de su compañero.Lo llaman la "energía del vacío". La energía del vacío desaparece cuando la temperatura sube por encima de la temperatura crítica y el superconductor se transforma en un material ordinario. Los físicos asumieron que esto se debe a que los pares de electrones se han roto. Y en los superconductores clásicos de baja temperatura, está bastante claro que eso es lo que está sucediendo.
Pero Sochnikov y sus colegas querían saber si esto era realmente cierto para los óxidos de cobre. Los óxidos de cobre se comportan de manera un poco diferente a los superconductores clásicos. Incluso cuando la temperatura se eleva muy por encima del nivel crítico, la brecha de energía persiste durante un tiempo, disminuyendo gradualmentePodría ser una pista de lo que los hace diferentes.
Los investigadores establecieron una versión del experimento de energía gap para probar esto. Hicieron un sándwich preciso de dos rebanadas de superconductor de óxido de cobre separadas por un delgado relleno de aislante eléctrico. Cada rebanada tenía solo unos pocos nanómetros de espesor. Luego, los investigadoresaplicaron un voltaje entre ellos. Los electrones comenzaron a formarse un túnel de una rodaja de óxido de cobre a la otra, creando una corriente.
Al medir el ruido en esa corriente, los investigadores descubrieron que un número significativo de los electrones parecía estar haciendo túneles en pares en lugar de individualmente, incluso por encima de la temperatura crítica. Solo alrededor de la mitad de los electrones se tunelizaron en pares, y este número cayó comola temperatura aumentó, pero disminuyó gradualmente.
"De alguna manera sobreviven", dice Sochnikov, "no se rompen completamente". Él y sus colegas aún no están seguros de si los estados emparejados son el origen de la superconductividad de alta temperatura, o si es un estado competitivo que elel superconductor tiene que ganar a medida que baja la temperatura, pero de cualquier manera, su descubrimiento impone una restricción sobre cómo suceden los superconductores de alta temperatura.
"Nuestros resultados tienen profundas implicaciones para la teoría básica de la física de la materia condensada", dice el coautor Ivan Bozovic, líder del grupo del Grupo de Epitaxia del Haz Molecular de Óxidos en la División de Ciencia de Materiales y Física de la Materia Condensada en el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU.y profesor de física aplicada en la Universidad de Yale. Sochnikov está de acuerdo.
"Hay miles de teorías sobre los superconductores de óxido de cobre. Este trabajo nos permite reducirlo a un grupo mucho más pequeño. Esencialmente, nuestros resultados dicen que cualquier teoría tiene que pasar un examen de calificación para explicar la existencia de los pares de electrones observados,"Sochnikov dice. Él y sus colaboradores en UConn, la Universidad de Rice y el Laboratorio Nacional Brookhaven planean abordar las preguntas abiertas restantes mediante el diseño de materiales y experimentos aún más precisos.
El trabajo de investigación en UConn fue financiado por el Estado de Connecticut a través de fondos de inicio de laboratorio.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Connecticut . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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