Utilizando una técnica de deposición altamente controlada, los científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. DOE han sintetizado películas ultrafinas que contienen múltiples muestras de un compuesto de óxido de cobre para estudiar el comportamiento electrónico del compuesto a casi cero absoluto, o menos 459 gradosFahrenheit. Esta técnica, como se describe en un artículo publicado en la edición temprana en línea de esta semana Actas de la Academia Nacional de Ciencias , está ayudando a los científicos a comprender cómo se comportan los electrones a medida que este material pasa de ser un aislante a un superconductor capaz de transportar corriente eléctrica sin resistencia.
"Estamos tratando de entender el mecanismo de la transición aislante-superconductor en una familia de compuestos llamados cupratos. Estos compuestos se vuelven superconductores a temperaturas relativamente altas - ¬ menos 200 grados Fahrenheit - en comparación con la mayoría de los materiales superconductores, querequieren temperaturas dentro de unos pocos grados de cero absoluto ", dijo Jie Wu, autor principal del artículo y físico en el Departamento de Física y Materiales de la Materia Condensada de Brookhaven Lab." Caracterizar este mecanismo puede proporcionar una idea de cómo podemos hacer que la temperatura superconductora inclusomás alto, posiblemente incluso alcanzando temperatura ambiente "
Esta capacidad permitiría que la electricidad se transfiera de manera mucho más eficiente. "Imagine una línea eléctrica que transporta electricidad sin ninguna pérdida de energía. Podríamos cablear todo el planeta, resultando en billones de dólares en ahorros y un menor impacto ambiental", dijo Wu.
transición aislante-superconductor
En su estado nativo, los cupratos son aislantes; no conducen fácilmente la electricidad. Pero los cupratos pueden volverse superconductores cuando se "dopan" químicamente con átomos de estroncio, que producen electrones de movimiento libre que se unen en las capas cristalinas de óxido de cobre donde la superconductividadse sabe que ocurre
Sin embargo, a un cierto nivel de dopaje reducido, la superconductividad se debilita y finalmente desaparece. A medida que la temperatura superconductora de los cupratos se reduce a casi el cero absoluto, la resistencia aumenta algo una característica de los aislantes pero la conductividad sigue siendo bastante alta una característica de los metalesLa naturaleza de este extraño estado "aislante" ha sido un enigma para los científicos durante años.
Resolver el rompecabezas requiere un método de ajuste fino del nivel de dopaje para acercarse gradualmente al punto crítico cuántico: el punto de "inclinación" en el que un material está en la cúspide de la transición de un estado de orden electrónico a otro, similar ael cambio de fase que ocurre cuando el hielo se derrite en agua líquida. También requiere una forma altamente sensible de medir los cambios electrónicos correspondientes a los diferentes niveles de dopaje.
una película, muchas muestras
Para estudiar la transición del aislador-superconductor en detalle, los científicos sintetizaron películas de un compuesto que contiene lantano, estroncio, cobre y oxígeno. Utilizaron un sistema combinatorio de epitaxia de haz molecular en Brookhaven que coloca los materiales en un sustrato, átomo por átomo, en capas y a tasas de deposición estrictamente controladas.
A través de la fotolitografía, una técnica de transferencia de un patrón geométrico sobre un sustrato, los científicos diseñaron películas de un solo cristal en una biblioteca lineal "combinatoria" que contiene 30 muestras, cada una con un nivel de dopaje químico ligeramente diferente cerca del punto crítico cuántico.El contacto eléctrico necesario para medir la resistividad de las muestras, evaporaron almohadillas de oro sobre la superficie de las películas.
"Programamos el sistema para variar el nivel de dopaje de forma continua y muy precisa en un incremento de minutos", dijo Ivan Bozovic, coautor del artículo y físico principal en el Departamento de Física y Materiales de la Materia Condensada de Brookhaven.
Luego, los científicos midieron la resistividad eléctrica de las muestras con diferentes temperaturas, campos magnéticos y niveles de dopaje cerca del punto crítico cuántico. Se tomaron dos tipos de mediciones: una paralela a la corriente eléctrica resistividad longitudinal y otra perpendicular Hallresistividad.
"La resistividad Hall es mucho más sensible porque mide el voltaje en una sección transversal particular de la muestra. La resistividad longitudinal promedia la sección completa", dijo Wu. "Nuestro equipo Brookhaven es el primero en utilizar este enfoque más localizado que puededanos una medición directa de la densidad de electrones móviles "
Hallazgos clave
A una temperatura baja fija, la disminución del nivel de dopaje o el aumento del campo magnético aplicado suprimieron la superconductividad, lo que permitió que un estado competitivo de orden electrónico se hiciera cargo. Aparecieron fluctuaciones dramáticas en la resistencia de Hall por debajo de una temperatura crítica, y estas fluctuaciones aumentaron enfrecuencia y magnitud, ya que todas las muestras se enfriaron aún más hacia el cero absoluto, lo que indica que son de origen cuántico.
"El comportamiento de estas fluctuaciones es opuesto al observado en las fluctuaciones impulsadas por la energía térmica, como las burbujas de vapor que aparecen cuando se hierve el agua", dijo Wu. "Las burbujas se desvanecen a medida que baja la temperatura".
Las mediciones de resistividad Hall comparadas en todo el rango de campos magnéticos probados revelaron que las muestras tienen "memoria" de sus estados electrónicos anteriores. Después de aplicar un campo magnético, el valor y el signo de la resistividad Hall cambiaron. Cuando el campo magnético cambióse retiró, las muestras permanecieron en la misma configuración electrónica hasta que se volvió a aplicar el campo, una propiedad muy inusual para los conductores.
Los datos de los científicos revelan que, a temperaturas cercanas al cero absoluto, el estado superconductor compite con otro estado de orden electrónico caracterizado por la distribución aleatoria de muchos "grupos" de carga pequeña o grupos de electrones localizados.los electrones que fluyen en metales y superconductores, los electrones en estos grupos están localizados y fijados a átomos particulares, dejándolos inmóviles e incapaces de transportar corriente cuando se aplica un campo eléctrico. Los grupos pueden saltar y cambiar lugares en la red como resultado defluctuaciones cuánticas.
"Esta imagen explica la débil conductividad de este extraño estado" aislante ", revelando que el estado se origina en la localización de cargas", dijo Wu. "Nuestra conclusión se basa en nuestra comprensión de la transición aislante-superconductor en una clase importante de altasuperconductores de temperatura. Estamos un paso más cerca de nuestro objetivo de predecir y diseñar nuevos materiales superconductores con propiedades superiores para aplicaciones de energía ".
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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