Uno de los mayores misterios de la física experimental es cómo funcionan los llamados materiales superconductores de alta temperatura. A pesar de su nombre, los superconductores de alta temperatura, materiales que transportan corriente eléctrica sin resistencia, funcionan a temperaturas frías inferiores a menos 135 ° C.grados Celsius. Se pueden usar para fabricar cables de alimentación supereficientes, resonancias magnéticas médicas, aceleradores de partículas y otros dispositivos. Descubrir el misterio de cómo funcionan realmente estos materiales podría conducir a dispositivos superconductores que funcionan a temperatura ambiente, y podría revolucionar los dispositivos eléctricos,incluyendo computadoras portátiles y teléfonos.
en un nuevo artículo en el diario Física de la naturaleza , los investigadores de Caltech finalmente han resuelto una pieza de este rompecabezas duradero. Han confirmado que una fase de transición de la materia llamada pseudogap, una que ocurre antes de que estos materiales se enfríen para convertirse en superconductores, representa un estado distinto demateria, con propiedades muy diferentes de las del estado superconductor mismo.
Cuando la materia pasa de un estado o fase a otro, por ejemplo, el agua se congela en hielo, hay un cambio en el patrón de ordenamiento de las partículas de los materiales. Los físicos habían detectado previamente indicios de algún tipo de ordenamiento de electronesdentro del estado de pseudogap. Pero exactamente cómo estaban ordenando, y si ese orden constituía un nuevo estado de la materia, no estaba claro hasta ahora.
"Una propiedad peculiar de todos estos superconductores de alta temperatura es que justo antes de ingresar al estado superconductor, invariablemente primero ingresan al estado pseudogap, cuyos orígenes son igualmente, si no más misteriosos, que el estado superconductor mismo", dice David Hsieh,profesor de física en Caltech e investigador principal de la nueva investigación. "Hemos descubierto que en el estado de pseudogapa, los electrones forman un patrón muy inusual que rompe casi todas las simetrías del espacio. Esto proporciona una pista muy convincente sobre el origen real deel estado de pseudogap y podría conducir a una nueva comprensión de cómo funcionan los superconductores de alta temperatura ".
El fenómeno de la superconductividad se descubrió por primera vez en 1911. Cuando ciertos materiales se enfrían a temperaturas súper frías, tan bajas como unos pocos grados por encima del cero absoluto unos pocos grados Kelvin, transportan corriente eléctrica sin resistencia, de modo que nose pierde calor o energía. Por el contrario, nuestras computadoras portátiles no están hechas de materiales superconductores y, por lo tanto, experimentan resistencia eléctrica y se calientan.
El enfriamiento de materiales a temperaturas extremadamente bajas requiere helio líquido. Sin embargo, debido a que el helio líquido es raro y costoso, los físicos han estado buscando materiales que puedan funcionar como superconductores a temperaturas cada vez más altas. Los llamados superconductores de alta temperatura, descubiertosen 1986, ahora se sabe que operan a temperaturas de hasta 138 Kelvin menos 135 grados Celsius y, por lo tanto, se pueden enfriar con nitrógeno líquido, que es más asequible que el helio líquido. Sin embargo, la pregunta que eludieron a los físicos, a pesar de tres premios NobelLos premios hasta la fecha otorgados en el campo de la superconductividad son exactamente cómo funcionan los superconductores de alta temperatura.
La danza de los electrones superconductores
Los materiales se vuelven superconductores cuando los electrones superan su repulsión natural y forman pares. Este emparejamiento puede ocurrir a temperaturas extremadamente frías, permitiendo que los electrones y las corrientes eléctricas que transportan se muevan sin problemas. En los superconductores convencionales, el emparejamiento de electrones es causado por vibraciones naturales.en la red cristalina del material superconductor, que actúa como pegamento para mantener los pares juntos.
Pero en los superconductores de alta temperatura, esta forma de "pegamento" no es lo suficientemente fuerte como para unir los pares de electrones. Los investigadores piensan que el pseudogap, y cómo se ordenan los electrones en esta fase, tiene pistas sobre lo que este pegamento puede constituir para un altosuperconductores de temperatura. Para estudiar el pedido de electrones en el pseudogap, Hsieh y su equipo han inventado un nuevo método basado en láser llamado anisotropía rotacional óptica no lineal. En el método, un láser apunta al material superconductor; en este caso, cristales de itrioóxido de cobre y bario YBa2Cu3Oy. Un análisis de la luz reflejada a la mitad de la longitud de onda en comparación con la entrada revela cualquier simetría en la disposición de los electrones en los cristales.
Las simetrías rotas apuntan a una nueva fase
Las diferentes fases de la materia tienen simetrías distintas. Por ejemplo, cuando el agua se convierte en hielo, los físicos dicen que la simetría se ha "roto".
"En el agua", explica Hsieh, "las moléculas de H2O están orientadas de manera bastante aleatoria. Si estaba nadando en una piscina infinita de agua, su entorno se ve igual sin importar dónde se encuentre. En el hielo, por otro lado, elLas moléculas de H2O forman una red periódica regular, por lo que si te imaginas sumergido en un bloque infinito de hielo, tu entorno parece diferente dependiendo de si estás sentado en un átomo de H u O. Por lo tanto, decimos que la simetría traslacional del espacio está rotaal pasar del agua al hielo "
Con la nueva herramienta, el equipo de Hsieh pudo demostrar que los electrones enfriados a la fase pseudogap rompieron un conjunto específico de simetrías espaciales llamadas inversión y simetría rotacional ". Tan pronto como el sistema ingresó a la región pseudogap, ya sea en función detemperatura o la cantidad de oxígeno en el compuesto, hubo una pérdida de inversión y simetrías rotacionales, lo que indica claramente una transición a una nueva fase de la materia ", dice Liuyan Zhao, un investigador postdoctoral en el laboratorio Hsieh y autor principal del nuevo estudio."Es emocionante que estemos utilizando una nueva tecnología para resolver un viejo problema"
"El descubrimiento de inversiones rotas y simetrías rotacionales en el pseudogap reduce drásticamente el conjunto de posibilidades de cómo los electrones se autoorganizan en esta fase", dice Hsieh. "De alguna manera, esta fase inusual puede resultar serel aspecto más interesante de estos materiales superconductores "
Con una pieza del rompecabezas resuelta, los investigadores pasan a la siguiente. Quieren saber qué papel juega esta ordenación de electrones en el pseudogap para inducir la superconductividad a alta temperatura, y cómo hacer que suceda a temperaturas aún más altas.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de California . Original escrito por Whitney Clavin. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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