Las transiciones de fase ocurren cuando una sustancia cambia de un estado sólido, líquido o gaseoso a un estado diferente, como la fusión de hielo o la condensación de vapor. Durante estas transiciones de fase, hay un punto en el que el sistema puede mostrar las propiedades de ambos estados deimporta simultáneamente. Ocurre un efecto similar cuando los metales normales pasan a superconductores: las características fluctúan y las propiedades que se espera que pertenezcan a un estado llevan al otro.
Los científicos de Harvard han desarrollado un superconductor bidimensional a base de bismuto que tiene solo un nanómetro de grosor. Al estudiar las fluctuaciones en este material ultradelgado a medida que se transforma en superconductividad, los científicos obtuvieron información sobre los procesos que impulsan la superconductividad de manera más generalDebido a que pueden transportar corrientes eléctricas con una resistencia cercana a cero, a medida que se mejoran, los materiales superconductores tendrán aplicaciones en prácticamente cualquier tecnología que use electricidad.
Los científicos de Harvard utilizaron la nueva tecnología para confirmar experimentalmente una teoría de superconductores de 23 años desarrollada por el científico Valerii Vinokur del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de los EE. UU. DOE.
"A veces descubres algo nuevo y exótico, pero a veces solo confirmas que, después de todo, entiendes el comportamiento de lo que está frente a ti todos los días". - Valerii Vinokur, miembro distinguido de Argonne,División de Ciencia de Materiales.
Un fenómeno de interés para los científicos es la inversión completa del efecto Hall bien estudiado cuando los materiales hacen la transición a superconductores. Cuando un material normal no superconductor transporta una corriente aplicada y se somete a un campo magnético, se induce un voltajeel material. Este efecto Hall normal hace que el voltaje apunte en una dirección específica dependiendo de la orientación del campo y la corriente.
Curiosamente, cuando los materiales se convierten en superconductores, el signo del voltaje Hall se invierte. El extremo "positivo" del material se convierte en "negativo". Este es un fenómeno bien conocido. Pero aunque el efecto Hall ha sido durante mucho tiempo una herramienta importanteque los científicos usan para estudiar los tipos de propiedades electrónicas que hacen que un material sea un buen superconductor, la causa de este efecto Hall inverso ha permanecido misterioso para los científicos durante décadas, especialmente en lo que respecta a los superconductores de alta temperatura para los cuales el efecto es más fuerte.
En 1996, el teórico Vinokur, miembro distinguido de Argonne, y sus colegas presentaron una descripción completa de este efecto y más en superconductores de alta temperatura. La teoría tuvo en cuenta todas las fuerzas impulsoras involucradas, e incluyó a muchosvariables que probarlo experimentalmente parecían poco realistas, hasta ahora.
"Creíamos que realmente habíamos resuelto estos problemas", dijo Vinokur, "pero las fórmulas se sentían inútiles en ese momento, porque incluían muchos parámetros que eran difíciles de comparar con los experimentos que usaban la tecnología que existía en ese momento".
Los científicos sabían que el efecto Hall inverso es el resultado de vórtices magnéticos que surgen en el material superconductor colocado en el campo magnético. Los vórtices son puntos de singularidad en el líquido de los electrones superconductores, pares de Cooper, alrededor de los cuales fluyen los pares de Cooper, creandomicrocorrientes superconductoras circulantes que aportan características novedosas en la física del efecto Hall en el material.
Normalmente, la distribución de electrones en el material causa el voltaje Hall, pero en los superconductores, los vórtices se mueven bajo la corriente aplicada, lo que crea diferencias de presión electrónicas que son matemáticamente similares a las que mantienen un avión en vuelo. Estas diferencias de presión cambian el cursode la corriente aplicada, como las alas de un avión, cambian el curso del aire que pasa, elevando el avión.El movimiento del vórtice redistribuye los electrones de manera diferente, cambiando la dirección del voltaje Hall al opuesto del voltaje Hall puramente electrónico.
La teoría de 1996 describió cuantitativamente los efectos de estos vórtices, que solo se habían entendido cualitativamente. Ahora, con un nuevo material que llevó a los científicos de Harvard cinco años a desarrollar, la teoría fue probada y confirmada.
El material delgado a base de bismuto tiene prácticamente un espesor de capa atómica, lo que lo hace esencialmente bidimensional. Es uno de los únicos de su clase, un superconductor de alta temperatura de película delgada; la producción del material solo es una tecnologíaavance en la ciencia de superconductores.
"Al reducir las dimensiones de tres a dos, las fluctuaciones de las propiedades en el material se vuelven mucho más evidentes y fáciles de estudiar", dijo Philip Kim, un científico líder en el grupo de Harvard. "Creamos una forma extrema delmaterial que nos permitió abordar cuantitativamente la teoría de 1996 "
Una predicción de la teoría fue que el efecto Hall inverso anómalo podría existir fuera de las temperaturas a las que el material es un superconductor. Este estudio ofreció una descripción cuantitativa del efecto que coincidía perfectamente con las predicciones teóricas.
"Antes de estar seguros del papel que juegan los vórtices en el efecto Hall inverso, no podíamos usarlo de manera confiable como herramienta de medición", dijo Vinokur. "Ahora que sabemos que estábamos en lo correcto, podemos usar la teoría para estudiarotras fluctuaciones en la fase de transición, que finalmente conducen a una mejor comprensión de los superconductores ".
Aunque el material en este estudio es bidimensional, los científicos creen que la teoría se aplica a todos los superconductores. La investigación futura incluirá un estudio más profundo de los materiales; el comportamiento de los vórtices incluso tiene aplicación en la investigación matemática.
Los vórtices son ejemplos de objetos topológicos, u objetos con propiedades geométricas únicas. Actualmente son un tema popular en matemáticas debido a las formas en que se forman y deforman y cómo cambian las propiedades de un material. Las teorías de 1996 utilizaron la topología para describirEl comportamiento de los vórtices y las propiedades topológicas de la materia podrían llevar a una gran cantidad de física nueva.
"A veces descubres algo nuevo y exótico", dijo Vinokur sobre la investigación, "pero a veces solo confirmas que, después de todo, entiendes el comportamiento de lo que está frente a ti todos los días"
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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