Los científicos que trazaron un mapa de las características cuánticas de los superconductores (materiales que conducen la electricidad sin pérdida de energía), han entrado en un nuevo régimen. Usando herramientas recién conectadas en el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU., llamada OASIS. Los científicos han descubierto detalles previamente inaccesibles en el «diagrama de fase» de uno de los superconductores de «alta temperatura» más comúnmente estudiados. Los datos recién mapeados incluyen señales de lo que sucede cuando la superconductividad se desvanece.
«En términos de superconductividad, esto puede sonar mal, pero si estudias algún fenómeno, siempre es bueno poder abordarlo desde su origen», dijo la física de Brookhaven, Tonica Valla, quien dirigió el estudio que acaba de publicarse en la revista Nature Communications.«Si tienes la oportunidad de ver cómo desaparece la superconductividad, eso a su vez podría dar una idea de las causas de la superconductividad en primer lugar».
Desvelar los secretos de la superconductividad es una gran promesa para abordar los desafíos energéticos. Los materiales capaces de transportar corriente a través de largas distancias sin pérdida revolucionarán la transmisión de energía, eliminarán la necesidad de enfriar los centros de datos llenos de computadoras y generarán nuevas formas de almacenamiento de energía, por ejemplo. El problema es que, en la actualidad, los superconductores más conocidos, incluso las variedades de «alta temperatura», deben mantenerse súper fríos para realizar su magia actual. Entonces, los científicos han estado tratando de comprender las características clave que causan la superconductividad en estos materiales con el objetivo de descubrir o crear nuevos materiales que puedan operar a temperaturas más prácticas para estas aplicaciones diarias.
Figura 1. La superficie de Fermi, o el estado más ocupado en la estructura electrónica, permite la determinación directa del nivel de dopaje. Esta imagen muestra la superficie de Fermi del BSCCO no superconductor, muy superpuesto, donde los agujeros se agregaron al material mediante exposición al ozono.
El equipo de Brookhaven estaba estudiando un superconductor conocido de alta temperatura hecho de capas que incluyen óxido de bismuto, óxido de estroncio, calcio y óxido de cobre (abreviado como BSCCO). La escisión de cristales de este material crea superficies de óxido de bismuto prístinas. Cuando analizaron la estructura electrónica de la superficie escindida prístina, vieron signos reveladores de superconductividad a una temperatura de transición (Tc) de 94 grados Kelvin (-179 grados Celsius), la temperatura más alta a la cual se establece la superconductividad para este material bien estudiado.
Luego, el equipo calentó las muestras en ozono (O3) y descubrió que podían alcanzar altos niveles de dopaje y explorar partes previamente inexploradas del diagrama de fase de este material, que es un gráfico en forma de mapa que muestra cómo el material cambia sus propiedades a diferentes temperaturas en diferentes condiciones. (De manera similar a la forma en que puede trazar las coordenadas de temperatura y presión en las que el agua líquida se congela cuando se enfría, o cambia a vapor cuando se calienta). En este caso, la variable en la que estaban interesados los científicos era la cantidad de vacantes de carga, o «huecos», que se agregaron o «doparon» en el material por la exposición al ozono. Los agujeros facilitan el flujo de corriente al dar las cargas (electrones) a algún lugar para ir.
«Para este material, si se comienza con el cristal del compuesto ‘padre’, que es un aislante (lo que significa que no hay conductividad), la introducción de agujeros da como resultado una superconductividad», dijo Valla. A medida que se agregan más agujeros, la superconductividad se vuelve más fuerte y a temperaturas más altas hasta un máximo de 94 grados Kelvin, explicó. «Luego, con más orificios, el material se ‘dopea’ y la Tc baja, para este material, a 50 K».
Figura 2. Este diagrama de fase para BSCCO traza la temperatura (T, en grados Kelvin, en el eje y) a la que se establece la superconductividad a medida que más y más vacantes de carga, o «agujeros», se dopan en el material (horizontal, eje x). En el lado no cubierto de la «cúpula» (izquierda), a medida que se agregan más agujeros, la temperatura de transición aumenta a un máximo de 94 K, pero a medida que se agregan más agujeros, la temperatura de transición disminuye. La línea discontinua roja representa la supuesta dependencia de la superconductividad «domo», mientras que la línea negra representa la dependencia correcta, obtenida de los nuevos datos (puntos negros). Esta fue la primera vez que los científicos pudieron crear muestras muy sobrepobladas, lo que les permitió explorar la parte del diagrama de fase sombreada en amarillo donde desaparece la superconductividad. El seguimiento de la desaparición puede ayudarles a comprender qué causa la superconductividad en primer lugar. Fuente: Laboratorio Nacional Brookhaven.
«Hasta este estudio, no se sabía nada más allá de ese punto porque no podíamos obtener cristales dopados por encima de ese nivel. Pero nuestros nuevos datos nos llevan a un punto de dopaje mucho más allá del límite anterior, a un punto donde Tc no es medible».
Dijo Valla: «Eso significa que ahora podemos explorar toda la curva de superconductividad en forma de cúpula en este material, que es algo que nadie ha podido hacer antes».
El equipo creó muestras calentadas al vacío (para producir material sin dopaje) y en ozono (para hacer muestras sobrepobladas) y trazó puntos a lo largo de toda la cúpula superconductora. Descubrieron algunas características interesantes en el «lado lejano» del diagrama de fase, que antes no había sido explorado.
«Lo que vimos es que las cosas se vuelven mucho más simples», dijo Valla. Algunas de las características más extravagantes que existen en el lado bien explorado del mapa y complican la comprensión de los científicos de la superconductividad a alta temperatura (cosas como un «pseudogap» en la firma electrónica y las variaciones en el giro de partículas y las densidades de carga) desaparecen en la Detrás de la cúpula sobrepoblada.
Figura 3. Los físicos del Laboratorio Brookhaven Tonica Valla e Ilya Drozdov en el laboratorio OASIS en el Laboratorio Nacional Brookhaven. Crédito: Laboratorio Nacional Brookhaven
«Este lado del diagrama de fase es algo así como lo que esperamos ver en la superconductividad más convencional», dijo Valla, refiriéndose a los más antiguos superconductores basados en metales conocidos. «Cuando la superconductividad está libre de estas otras cosas que complican la imagen, entonces lo que queda es la superconductividad que quizás no sea tan poco convencional», agregó. «Es posible que aún no sepamos su origen, pero en este lado del diagrama de fase, parece algo que la teoría puede manejar con mayor facilidad, y le brinda una forma más simple de ver el problema para tratar de entender lo que está pasando.»
«Cuando la superconductividad está libre de estas otras cosas que complican la imagen, entonces lo que queda es la superconductividad que quizás no sea tan poco convencional», agregó. «Es posible que aún no sepamos su origen, pero en este lado del diagrama de fase , parece algo que la teoría puede manejar con mayor facilidad, y le brinda una forma más simple de ver el problema para tratar de entender lo que está pasando. «
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