Un descubrimiento que los físicos eludieron por mucho tiempo se detectó en un laboratorio en Princeton. Un equipo de físicos detectó corrientes superconductoras, el flujo de electrones sin desperdiciar energía, a lo largo del borde exterior de un material superconductor. El hallazgo se publicó en el1 de mayo número de la revista ciencia .
El superconductor que los investigadores estudiaron también es un semi-metal topológico, un material que viene con sus propias propiedades electrónicas inusuales. El hallazgo sugiere formas de desbloquear una nueva era de "superconductividad topológica" que podría tener valor para la computación cuántica.
"Hasta donde sabemos, esta es la primera observación de una supercorriente de borde en cualquier superconductor", dijo Nai Phuan Ong, profesor de física de Princeton Eugene Higgins y autor principal del estudio.
"Nuestra pregunta motivadora fue: ¿Qué sucede cuando el interior del material no es un aislante sino un superconductor?", Dijo Ong. "¿Qué características nuevas surgen cuando ocurre la superconductividad en un material topológico?"
Aunque los superconductores convencionales ya disfrutan de un uso generalizado en imágenes de resonancia magnética MRI y líneas de transmisión de larga distancia, los nuevos tipos de superconductividad podrían liberar la capacidad de ir más allá de las limitaciones de nuestras tecnologías familiares.
Los investigadores de Princeton y otros lugares han estado explorando las conexiones entre la superconductividad y los aislantes topológicos, materiales cuyos comportamientos electrónicos no conformistas fueron objeto del Premio Nobel de Física 2016 por F. Duncan Haldane, profesor de física de la Universidad Sherman Fairchild de Princeton.
Los aislantes topológicos son cristales que tienen un interior aislante y una superficie conductora, como un brownie envuelto en papel de aluminio. En los materiales conductores, los electrones pueden saltar de un átomo a otro, permitiendo que la corriente eléctrica fluya. Los aisladores son materiales en los que los electrones sonpegado y no puede moverse. Sin embargo, curiosamente, los aislantes topológicos permiten el movimiento de electrones en su superficie pero no en su interior.
Para explorar la superconductividad en materiales topológicos, los investigadores recurrieron a un material cristalino llamado ditellurida de molibdeno, que tiene propiedades topológicas y también es un superconductor una vez que la temperatura desciende por debajo de los 100 mili Kelvin frígidos, que es -459 grados Fahrenheit.
"La mayoría de los experimentos realizados hasta ahora han consistido en tratar de 'inyectar' superconductividad en materiales topológicos colocando un material muy cerca del otro", dijo Stephan Kim, un estudiante graduado en ingeniería eléctrica, quien realizó muchas de lasexperimentos "Lo diferente de nuestra medición es que no inyectamos superconductividad y, sin embargo, pudimos mostrar las firmas de los estados de borde".
El equipo primero cultivó cristales en el laboratorio y luego los enfrió a una temperatura donde se produce la superconductividad. Luego aplicaron un campo magnético débil mientras medían el flujo de corriente a través del cristal. Observaron que una cantidad llamada corriente crítica muestra oscilaciones,que aparecen como un patrón de diente de sierra, a medida que aumenta el campo magnético.
Tanto la altura de las oscilaciones como la frecuencia de las oscilaciones se ajustan a las predicciones de cómo surgen estas fluctuaciones del comportamiento cuántico de los electrones confinados a los bordes de los materiales.
Los investigadores saben desde hace tiempo que la superconductividad surge cuando los electrones, que normalmente se mueven aleatoriamente, se unen en dos para formar pares de Cooper, que en cierto sentido bailan al mismo ritmo ". Una analogía aproximada es un billón de parejas que ejecutan la misma danza apretadacoreografía ", dijo Ong.
El guión que siguen los electrones se llama función de onda del superconductor, que puede considerarse aproximadamente como una cinta estirada a lo largo del cable superconductor, dijo Ong. Un ligero giro de la función de onda obliga a todos los pares de Cooper en un cable largomoverse con la misma velocidad que un "superfluido" - en otras palabras, actuando como una sola colección en lugar de como partículas individuales - que fluye sin producir calentamiento.
Si no hay giros a lo largo de la cinta, dijo Ong, todos los pares de Cooper son estacionarios y no fluye corriente. Si los investigadores exponen el superconductor a un campo magnético débil, esto agrega una contribución adicional al giro que los investigadores llaman el magnéticoflujo, que, para partículas muy pequeñas como los electrones, sigue las reglas de la mecánica cuántica.
Los investigadores anticiparon que estos dos contribuyentes al número de giros, la velocidad superfluida y el flujo magnético, trabajan juntos para mantener el número de giros como un número entero exacto, un número entero como 2, 3 o 4 en lugar de un 3.2o un 3.7. Predijeron que a medida que el flujo magnético aumentara suavemente, la velocidad superfluida aumentaría en un patrón de diente de sierra a medida que la velocidad superfluida se ajusta para cancelar el .2 extra o agregar .3 para obtener un número exacto de giros.
El equipo midió la corriente superfluida mientras variaban el flujo magnético y descubrieron que, de hecho, el patrón de diente de sierra era visible.
En ditellurida de molibdeno y otros llamados semimetales de Weyl, este emparejamiento de electrones de Cooper en la masa parece inducir un emparejamiento similar en los bordes.
Los investigadores notaron que la razón por la cual la supercorriente de borde permanece independiente de la supercorriente en masa no se conoce bien actualmente. Ong comparó los electrones que se mueven colectivamente, también llamados condensados, con charcos de líquido.
"Según las expectativas clásicas, uno esperaría que dos charcos fluidos que están en contacto directo se fusionen en uno", dijo Ong. "Sin embargo, el experimento muestra que los condensados de borde permanecen distintos de los de la mayor parte del cristal".
El equipo de investigación especula que el mecanismo que evita que los dos condensados se mezclen es la protección topológica heredada de los estados de borde protegidos en ditellurida de molibdeno. El grupo espera aplicar la misma técnica experimental para buscar supercorrientes de borde en otros superconductores no convencionales.
"Probablemente hay muchos de ellos", dijo Ong.
La financiación para este estudio fue proporcionada por la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU., El Departamento de Energía de EE. UU., La Fundación Nacional de Ciencia y la Fundación Gordon y Betty Moore.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Princeton . Original escrito por Catherine Zandonella. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cita esta página :