El mundo al otro lado del espejo de Alicia en el país de las maravillas no es lo que parece, pero la física de espejo de la transición superconductor-aislante funciona exactamente como se esperaba.
Los científicos saben que esto es cierto después de la observación de un fenómeno notable, cuya existencia se predijo hace tres décadas pero que había escapado a la detección experimental hasta ahora. La observación confirma que los estados cuánticos fundamentales, la superconductividad y la superinsulación, ambos surgen en el espejo-como imágenes entre sí, lo que podría conducir al desarrollo de sensores, detectores e interruptores lógicos supersensibles y energéticamente eficientes para la ciencia y la comunicación, el almacenamiento de memoria y otras tecnologías emergentes.
"El comportamiento que hemos demostrado es exactamente el comportamiento que se predijo y se esperaba", dijo Valerii Vinokur, miembro distinguido de Argonne en la división de Ciencia de Materiales del Laboratorio Nacional de Argonne del Departamento de Energía de los Estados Unidos DOE.
Vinokur y sus colegas observaron el fenómeno, llamado la transición de carga Berezinskii-Kosterlitz-Thouless BKT, en una película finamente microscópica de nitrito de niobio y titanio superconductor. La transición de carga BKT es la contraparte espejo de la transición de vórtice BKT quelos científicos han observado muchas veces en materiales superconductores. Vinokur y sus colaboradores en el Instituto de Tecnología de California y la Universidad de Novosibirsk en Rusia publicaron sus hallazgos en línea el 6 de marzo de 2018, en Informes científicos .
"Los experimentos llevados a cabo por nuestro equipo establecen de manera concluyente la existencia del estado superinsulante y la validez de sus conceptos fundamentales, incluido el concepto fundamental de dualidad carga-vórtice", dijo Vinokur, quien también es miembro principal de la Universidad deInstituto de Computación de Chicago. "Los conceptos básicos detrás de nuestro conocimiento sobre el universo en su nivel más profundo se basan en el concepto de dualidad".
El concepto de dualidad en física sostiene que los conjuntos fundamentales de fenómenos aparentemente se excluyen entre sí pero representan las dos caras de una moneda. El ejemplo más conocido de dualidad es la dualidad onda-partícula de luz que aparece en el reino cuántico. Materiales superinsulantes y superconductores, que son opuestos exactos, se dan cuenta de la dualidad entre los efectos eléctricos y magnéticos. En lugar de transmitir corriente eléctrica sin ninguna pérdida de potencia, como lo hacen los superconductores, los superinsultores cortan completamente el flujo de cargas bajo un voltaje aplicado. Esto significa que los superconductores de espejo tienen una conductancia infinita, mientras que los superinsulators tienen resistencia infinita.
El último hallazgo se basa en el trabajo publicado en 2008 por Vinokur y sus asociados que establecieron experimentalmente la existencia del estado superinsulante, al tiempo que proponen que "refleja" el comportamiento que ocurre en el estado superconductor, derivando del cuántico más fundamentalconcepto, el principio de incertidumbre Los físicos teóricos en el CERN el laboratorio europeo de física de partículas, la Universidad de Ginebra y la Universidad de Perugia - Cristina Diamantini, Carlo Trugenberger y Pascuale Sodano - habían predicho la existencia de este estado superinsulante, dual asuperconductividad, en 1996. Pero tan inesperado fue el descubrimiento del estado superinsulante que el equipo de Vinokur inicialmente desconocía la predicción.
La transición BKT que se encuentra en la base de la dualidad superconductor-aislante lleva el nombre de los difuntos Vadim Berezinskii, Michael Kosterlitz y David Thouless. Kosterlitz y Thouless colaboraron a principios de la década de 1970 para desarrollar su teoría de las transiciones de fase topológicas, que son bastantea diferencia de las transiciones de fase que se conocían comúnmente en la práctica diaria de la física en ese momento.
Estas transiciones de fase habituales se manifiestan como un cambio brusco en el estado de la materia, como el hielo derritiéndose en agua o el agua hirviendo en vapor, a una temperatura crítica. Sin embargo, las transiciones de fase topológicas son como desatar los nudos en una corbata ".Tiene un cambio claro en las propiedades del sistema sin hacer cambios visibles en el material en las propiedades del empate ", dijo Vinokur.
Berezinskii había desarrollado de forma independiente ideas similares, lo que finalmente condujo a numerosas observaciones de las transiciones de vórtice BKT en miles de experimentos de superconductividad a lo largo de las décadas. Sin embargo, hasta ahora, los científicos nunca habían observado de manera concluyente el reflejo de la transición de vórtice BKT: elTransición de carga BKT: en el lado superinsulante de la transición superconductor-aislante.
Kosterlitz, Thouless y Duncan Haldane compartieron el Premio Nobel de física 2016 por "descubrimientos teóricos de las transiciones de fase topológicas y las fases topológicas de la materia", habiendo desarrollado los métodos matemáticos avanzados necesarios para explicar las transiciones de fase que ocurren en estados inusuales de la materia,incluidos materiales superconductores y películas magnéticas delgadas.
Una futura vía de investigación para Vinokur y sus colegas será elevar la temperatura a la cual su compuesto de nitrito de titanio y niobio pasa al estado de superinsulación. La temperatura de transición ahora está entre 100 y 200 milikelvin, que es solo una fracción de gradopor encima del cero absoluto menos 459.6 grados Fahrenheit. Pero elevar la temperatura de transición a 4 grados Kelvin menos 452.4 grados Fahrenheit constituiría un avance tecnológico.
"Esto significa que podríamos usar estos materiales en el espacio, porque 4 kelvin es la temperatura del espacio", dijo Vinokur. Las posibles aplicaciones espaciales para tales materiales superinsulantes incluyen detectores supersensibles para medir la radiación electromagnética y otros fenómenos, e interruptores para dispositivos electrónicos, como los diodos que ahorran energía.
Esta investigación fue apoyada, en parte, por la Oficina de Ciencia del DOE.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Argonne . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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