Ciencia Kanija

El descubrimiento del Laboratorio Ames arroja una nueva luz sobre 70 años de libros de texto de física.

Como el patrón de una pompa de jabón, la distribución espacial de un campo magnético que penetra en un superconductor puede exhibir una intrincada estructura similar a la espuma. Ruslan Prozorov en el Laboratorio Ames del Departamento de Energía de los Estados Unidos ha observado estos desconcertantes patrones bidimensionales en muestras de plomo cuando el material está en estado de superconductor, por debajo de 7,2 Kelvin.

Patrones de equilibrio en el plomo superconductor: a la izquierda, el patrón “espuma de jabón” de Prozorov; y a la derecha, el patrón laminar de Landau. Ambas imágenes se obtuvieron a la misma temperatura y campo magnético. La única diferencia es cómo se incrementó o decrementó el campo magnético para alcanzar el equilibrio.

A través de una innovadora investigación para relacionar la geometría compleja de los patrones de equilibrio con las propiedades físicas macroscópicas, tales como el magnetismo, Prozorov ha demostrado que la forma de toda la muestra determina la topología del patrón y el comportamiento magnético general del sistema – un hallazgo significativo que representa una contribución principal en el campo de la superconductividad. “Se puede tener la misma masa y volumen, pero si cambias la forma se obtendrá un tipo distinto de respuesta por parte de la muestra y un distinto tipo de geometría del patrón de campo de equilibrio”, dijo. “El descubrimiento ha reabierto completamente el campo del equilibrio en los conductores de tipo-I, que había estado inactivos debido a que se consideran cerrados”.

El descubrimiento de Prozorov de los patrones complejos en el plomo superconductor marca una notable desviación del primer modelo propuesto por el físico ruso Lev Landau en los años 30. El modelo de Landau, que recuerda a un laberinto o un patrón laminar, ha sido el estándar incontestable en los libros de texto de física durante 70 años.

Pero Prozorov cuestiona el modelo de Landau y mantiene que es imposible deducir los patrones de equilibrio de los superconductores a partir de la minimización de la energía global – una ley de la física establecida. “Se puede suponer cierta geometría o patrón y trabajar con él para obtener una configuración óptima, pero esto no garantiza que el patrón que se ha supuesto resulte ser el estado de mínima energía absoluta en la naturaleza”, explicó.

Ofreciendo un ejemplo del problema que observó en el modelo de Landau, Prozorov dijo, “Si se suponen dos patrones, se puede calcular la energía total para cada uno de ellos, y aquel con menor energía puede ser el patrón de equilibrio. Por supuesto, no se puede probar que no haya otro patrón que tenga una energía menor. Se necesita, de hecho, observar los patrones y relacionarlos con las propiedades físicas medidas reales”.

A lo largo de los años se han realizado observaciones de los patrones de equilibrio en los superconductores que difieren del modelo de laberinto propuesto por Landau. Sin embargo, se consideró que los patrones inusuales tenían defectos o fluctuaciones debidos a imperfecciones en el material estudiado. Nadie se molestó en relacionar los patrones que estaban observando con las propiedades macroscópicas. Nadie, claro, hasta Prozorov.

“Todo comenzó con un descubrimiento accidental”, dijo. Estaba intentando calibrar el termómetro en mi criostato magneto-óptico, por lo que puse un trozo de plomo muy limpio y libre de tensión. Esta es una forma fácil de calibrar debido a que el plomo se convierte en superconductor a 7,2 Kelvin, por lo que observé mi muestra y cuando vi superconductividad supe que mi termómetro estaba bien”.

Pero algo no iba bien, al menos no para un libro de texto. Cuando Prozorov aplicó un campo magnético lo bastante grande y observó la muestra de plomo en el sistema magneto-óptico, se sorprendió al no ver el patrón de laberinto de Landau sino, más bien, un patrón de formas tubulares bidimensionales que él describe como espuma de jabón. “Estaba impactado debido a que esto era algo totalmente inesperado”, dijo. “Por lo que ahora, la gran pregunta era,¿qué patrones representan el equilibrio?”

El experimento de Prozorov demostró que, dependiendo de su pureza y su forma física macroscópica, la muestra en investigación mostró el patrón de espuma de jabón o el patrón laminar de Landau. Él sabía que muestras con formas de discos o bloques que tienen dos superficies paralelas también tienen la propiedad conocida como barrera geométrica. Sólo aquellas muestras con esas formas exhibieron el patrón de Landau, y sólo cuando se redujo el campo magnético. Sin embargo, Prozorov descubrió que las formas sin dos superficies planas, tales como esferas, semiesferas, pirámides y conos, no muestran el comportamiento de Landau. “Observamos la fase de espuma, o tubular, en todas las formas de las muestras, y no tenemos la fase de Landau en ninguna”, dijo. “Por tanto la pase de espuma es la de estado de equilibrio del sistema. La mayoría de los estudios anteriores se hicieron con muestras de superficies planas, debido a esto la gente nunca observó anteriormente esto para un campo magnético decreciente”.

Enfatizando la dificultad involucrada en la creación de estas formas de muestra menos comunes, dijo Prozorov, “Para observar este fenómenos de espuma de jabón, las muestras deben estar muy limpias y sin defectos con una estructura cristalina uniforme. Pasamos una gran cantidad de tiempo intentando hacer muestras de plomo en forma de semiesferas, conos y pirámides y finalmente lo logramos. Tener acceso a los expertos en materiales disponibles en el Laboratorio Ames ha sido un tremendo beneficio en nuestro esfuerzo”, añadió.

La Oficina Científica del Departamento de Energía, la Oficina de Ciencias de la Energía Básica y la Fundación Nacional de Ciencia patrocinaron el trabajo sobre patrones de equilibrio en superconductores.

El Laboratorio Ames, que celebra su 60 aniversario en 2007, está dirigido por el Departamento de Energía a través de la Universidad Estatal de Iowa. El laboratorio lleva a cabo investigaciones en distintas áreas de interés nacional, incluyendo recursos energéticos, diseño de computadoras de alta velocidad, limpieza y restauración medioambiental y la síntesis y estudio de nuevos materiales.

Esta entrada fue escrita el Jueves, 19 de Julio de 2007 a las 9:28 am y archivada en Fí­sica, Materiales, Quí­mica. Puedes seguir cualquier respuesta a esta entrada a través del feed RSS 2.0. Puedes dejar una respuesta, o trackback desde tu propio sitio web.