En una investigación llevada a cabo por el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. los científicos realizan un nuevo descubrimiento en los superconductores de cuprato, un material que puede reducir las pérdidas de energía eléctrica en las redes de transporte
Durante años, los físicos han estado tratando de descifrar los detalles electrónicos de los superconductores de alta temperatura. Estos materiales podrían revolucionar la transmisión de energía y la electrónica debido a su capacidad de transportar corriente eléctrica sin pérdida de energía cuando se enfrían por debajo de cierta temperatura.
Los detalles de la estructura electrónica microscópica de los superconductores de cuprato “alta Tc” podrían revelar cómo las diferentes fases (estados de la materia) compiten o interactúan con la superconductividad, un estado en el que los electrones con carga similar superan de alguna manera su repulsión para emparejarse y fluir libremente. El objetivo final es comprender cómo hacer que estos materiales actúen como superconductores sin la necesidad de un sobreenfriamiento.
Ahora los científicos que estudian los superconductores de alta Tc en el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. tienen evidencia definitiva de la existencia de un estado de la materia conocido como onda de densidad de pares, que los teóricos pronosticaron hace unos 50 años. Sus resultados, publicados en la revista Nature, muestran que esta fase coexiste con la superconductividad en un conocido superconductor de óxido de cobre a base de bismuto.
“Esta es la primera evidencia espectroscópica directa de que la onda de densidad de pares existe en un campo magnético cero”, dijo Kazuhiro Fujita, el físico que dirigió la investigación en Brookhaven Lab.
“Hemos identificado que la onda de densidad de pares juega un papel importante en este material. Nuestros resultados muestran que estos dos estados de la materia, onda de densidad de pares y superconductividad, coexisten e interactúan”.
Los resultados del equipo provienen de mediciones de espectros de tunelización de electrones individuales utilizando un microscopio de túnel de exploración de imagen espectroscópica (SI-STM) de última generación en el laboratorio OASIS de Brookhaven.
“Lo que medimos es cuántos electrones en una ubicación dada ‘túnel’ desde la superficie de la muestra a la punta del electrodo superconductor del SI-STM y viceversa a medida que variamos la energía (voltaje) entre la muestra y la punta”, dijo Fujita. “Con esas mediciones podemos mapear la red cristalina y la densidad de electrones de los estados, así como la cantidad de electrones que tenemos en una ubicación determinada”.
Cuando el material no es superconductor, los electrones existen en un espectro continuo de energías, cada uno propagándose en su propia longitud de onda única. Pero cuando la temperatura baja, los electrones comienzan a interactuar, apareándose a medida que el material entra en el estado superconductor. Cuando esto sucede, los científicos observan una brecha en el espectro de energía, creado por la ausencia de electrones dentro de ese rango de energía particular.
“La brecha de energía es igual a la energía que se necesita para separar los pares de electrones (lo que te dice qué tan unidos estaban)”, dijo Fujita.
A medida que los científicos escaneaban la superficie del material, detectaron estructuras de brecha de energía con modulación espacial. Estas modulaciones en la brecha de energía revelaron que la fuerza de la unión de los electrones varía, aumentando a un máximo, luego descendiendo a un mínimo, con este patrón que se repite cada ocho átomos a través de la superficie de la red cristalina ordenada regularmente.
Este trabajo se basó en mediciones previas que muestran que la corriente creada por pares de electrones que tunelan en el microscopio también varió de la misma manera periódica. Esas modulaciones en la corriente fueron la primera evidencia, aunque algo circunstancial, de que la onda de densidad de pares estaba presente.
“Las modulaciones en la corriente de los electrones emparejados es un indicador de que hay modulaciones en qué tan fuertemente emparejados están los electrones a través de la superficie. Pero esta vez, midiendo el espectro de energía de electrones individuales, logramos medir directamente la brecha de modulación en el espectros donde se produce el emparejamiento. Las modulaciones en el tamaño de esos espacios son evidencia espectroscópica directa de que existe el estado de onda de densidad de pares”, dijo Fujita.
Los nuevos resultados también incluyeron evidencia de otras firmas clave de la onda de densidad de pares, incluidos defectos llamados “semivórtices”, así como sus interacciones con la fase superconductora.
Además, las modulaciones de la brecha de energía reflejan otras investigaciones de Brookhaven Lab que indican la existencia de patrones de modulación de características electrónicas y magnéticas, a veces denominadas “franjas”, que también ocurren con una periodicidad celular de ocho unidades en ciertos superconductores de cuprato de alta Tc.
Figura 1. Este diagrama esquemático asigna la energía de unión (o brecha de energía superconductora) de electrones individuales en un superconductor de óxido de cobre (cuprato) medido por un microscopio sensible que explora la superficie. El tamaño de las burbujas azules y amarillas que rodean a los átomos individuales (barras rojas con puntas de flecha que indican sus orientaciones de giro) indica el tamaño de la brecha de energía (cuanto más grandes son las burbujas, mayor es la brecha y más fuerte es la unión del par de electrones en esa ubicación). Tenga en cuenta que cuando escanea a través de filas horizontales, el patrón aumenta al máximo, luego disminuye al mínimo (sin blobs), aumenta a otro máximo con la orientación opuesta (blobs amarillos y azules cambiados) y luego al mínimo nuevamente, repitiendo este patrón cada ocho filas Estas modulaciones son la primera evidencia directa de una “onda de densidad de pares” Un estado de la materia que coexiste con la superconductividad y puede desempeñar un papel en su aparición. Crédito: Laboratorio Nacional Brookhaven
“Juntos, estos hallazgos indican que la onda de densidad de pares juega un papel importante en las propiedades superconductoras de estos materiales. Comprender este estado puede ayudarnos a comprender el complejo diagrama de fases que describe cómo emergen las propiedades superconductoras en diferentes condiciones, incluida la temperatura, el campo magnético y densidad de portador de carga”, dijo Fujita.
Noticia de: Phys.org / Traducción libre del inglés por WorldEnergyTrade.com
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