Una teoría de 2017 propuesta por los físicos de la Universidad de Rice para explicar el comportamiento contradictorio de un superconductor de alta temperatura a base de hierro está ayudando a resolver un rompecabezas en un tipo diferente de superconductor no convencional, el compuesto de "fermión pesado" conocido como CeCu 2 Si 2 .
Un equipo internacional de EE. UU., China, Alemania y Canadá informó los hallazgos esta semana en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias PNAS. El estudio se centró en un compuesto de cerio, cobre y silicio cuyo extraño comportamiento en 1979 ayudó a introducir el campo multidisciplinario de los materiales cuánticos.
Ese año, un equipo dirigido por Frank Steglich del Instituto Max Planck, coautor del artículo de PNAS, descubrió que CeCu 2 Si 2 se convirtió en un superconductor a temperaturas extremadamente frías. El mecanismo de superconductividad no podía explicarse por la teoría existente, y el hallazgo fue tan inesperado e inusual que muchos físicos inicialmente se negaron a aceptarlo. El descubrimiento de 1986 de superconductividad a temperaturas aún más altas enla cerámica de cobre cristalizó el interés en el campo y llegó a dominar la carrera de físicos teóricos como Qimiao Si de Rice, a PNAS coautor del estudio y profesor de física y astronomía de Harry C. y Olga K. Wiess.
Si, cuya colaboración de décadas con Steglich ha llevado a casi dos docenas de estudios revisados por pares, dijo: "En mis sueños más salvajes, no había pensado que la teoría que propusimos para los superconductores basados en hierro volvería a la otraparte de mi vida, que son los superconductores de fermiones pesados "
Los fermiones pesados, como los superconductores de alta temperatura, son lo que los físicos llaman materiales cuánticos debido al papel clave que desempeñan las fuerzas cuánticas en su comportamiento. En los superconductores de alta temperatura, por ejemplo, los electrones forman pares y fluyen sin resistencia a temperaturas considerablemente más cálidasque las necesarias para la superconductividad convencional. En fermiones pesados, los electrones parecen ser miles de veces más masivos de lo que deberían.
En 2001, Si, quien también dirige el Centro Rice para Materiales Cuánticos RCQM, ofreció una teoría pionera de que estos fenómenos surgen en puntos críticos de transición, puntos de inflexión donde los cambios en la presión u otras condiciones provocan una transición desde un estado cuánticoa otro. En el punto de inflexión, o "punto crítico cuántico", los electrones pueden desarrollar una especie de personalidad dividida a medida que intentan dividir la línea entre los estados.
El caso de la superconductividad ilustra cómo esto puede desarrollarse. En un cable de cobre normal, la resistencia eléctrica surge cuando los electrones que fluyen se empujan y chocan contra los átomos en el cable. Cada golpe cuesta una pequeña cantidad de energía, que se pierde en el calor.superconductores, los electrones evitan esta pérdida al emparejarse y fluir al unísono, sin golpes.
Debido a que los electrones se encuentran entre las partículas subatómicas más antisociales, se repelen entre sí y se emparejan solo en circunstancias extraordinarias. En el caso de los superconductores convencionales, pequeñas variaciones en el espacio entre los átomos en un cable sobreenfriado pueden convencer a los electrones para que se unande conveniencia. El mecanismo en superconductores no convencionales es diferente.
"Nuestra comprensión unificadora es que si dos electrones trabajan muy duro para repelerse entre sí, todavía puede haber una fuerza atractiva", dijo Si. "Si me muevo porque no me gusta estar cerca de usted, y usted estáhaciendo lo mismo y, sin embargo, no podemos estar muy separados, se convierte en una especie de baile. Las parejas en superconductores de alta temperatura se mueven una en relación con la otra, no muy diferente de dos parejas de baile que giran, incluso cuando se mueven juntas a través del bailepiso."
La teoría de 2017 presentada por Si y el entonces estudiante graduado Emilian Nica, ahora asociado de investigación postdoctoral en el Instituto de Materiales Cuánticos de la Universidad de Columbia Británica, postuló que el emparejamiento selectivo dentro de los orbitales atómicos podría explicar algunos resultados experimentales desconcertantes de algunos de los más altos-conductores de temperatura, selenuros de hierro alcalino.
Algunos experimentos habían demostrado que los pares de seleniuros de hierro alcalino se comportaban como si tuvieran un momento angular de cero, a lo que los físicos se refieren con el término onda s, mientras que otros experimentos indicaron que los pares tenían un momento angular de dos, que los físicosllamada onda D. Esta diferencia es profunda porque el momento angular es un identificador fundamental para los electrones. Así como las manzanas y las naranjas se encuentran en diferentes contenedores en la tienda de comestibles, los pares de ondas s y ondas d no se mezclan y se encuentran endiferentes materiales.
"Lo que introdujo la tesis de Nica fue que se puede tener un estado superconductor en el que los pares de electrones asociados con un orbital de una subcapa son muy diferentes de los de otro orbital estrechamente relacionado en la misma subcapa porque tienen un signo opuesto", dijo Si.
"La razón por la que propusimos este estado de emparejamiento multiorbital fue porque las mediciones de algunas cosas, como las respuestas magnéticas, mostrarían que los seleniuros de hierro alcalino tenían características de onda D canónicas, y otras mediciones, como la emisión de fotos resueltas en ángulo, revelaron atributosasociado con superconductores de onda s.
"Los experimentos en el superconductor a base de hierro ya se habían realizado, y ofrecimos una explicación, un estado de emparejamiento que era estable y robusto, y que sin embargo tenía todas estas propiedades aparentemente contradictorias que se observaron experimentalmente".
Cuando los experimentos de 2017 en Japón revelaron algunas propiedades desconcertantes en CeCu 2 Si 2 , Si le dijo a Steglich que la teoría de la selección orbital podría darles cuenta. Juntos, unieron fuerzas con el equipo experimental del físico Huiqiu Yuan, subdirector del Centro de Materia Correlada de la Universidad de Zhejiang en Hangzhou, China,para probar la idea
La teoría de Si y Nica predijo que los experimentos revelarían un conjunto específico de mediciones aparentemente contradictorias de CeCu2Si2, siempre que el material pudiera enfriarse a una temperatura aún más fría que el punto de inflexión que produce la superconductividad. El grupo de Yuan realizó los experimentos y confirmó la predicción.
"La evidencia histórica siempre ha sido que el emparejamiento en este material es la onda d", dijo Nica. "Pero los experimentos confirmaron que, a pesar de todas las pruebas abrumadoras de que es una onda d, tiene una característica llamada 'completamente'brechas abiertas' que normalmente se asocian con superconductores de onda S. La nuestra es la única teoría ofrecida hasta ahora que puede explicar esto ".
Si dijo: "Es enormemente satisfactorio en varios niveles. Uno es que si bien la física de la materia condensada ofrece muchos materiales que pueden albergar propiedades fascinantes, en última instancia estamos buscando principios unificadores, especialmente como teóricos. He buscado activamente estos principios unificadores paraaños, pero no estábamos buscando activamente una explicación unificadora cuando propusimos esta teoría. Verlo aplicado, a tal efecto, en otro escenario completamente inesperado fue una verdadera sorpresa ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Rice . Original escrito por Jade Boyd. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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