La búsqueda de una nueva clase de superconductores

Esta imagen muestra un imán levitando sobre un superconductor de alta temperatura, enfriado con nitrógeno líquido. Una corriente eléctrica persistente fluye sobre la superficie del conductor, formando efectivamente un electroimán que repele al imán. La expulsión de un campo eléctrico desde el superconductor es conocida como el “Efecto Meissner”. Crédito: Laboratorio Nacional de Los Álamos

Cincuenta años después de la explicación ganadora del Premio Nobel de cómo funcionan los superconductores, un equipo de investigación del Laboratorio Nacional de Los Álamos, la Universidad de Edimburgo y la Universidad de Cambridge sugieren otro mecanismo para el aún misterioso fenómeno.

En un estudio publicado en Nature, los investigadores David Pines, Philippe Monthoux y Gilbert Lonzarich proponen que la superconductividad en ciertos materiales puede lograrse sin la interacción de los electrones con el movimiento de vibración de la estructura del material.

El estudio, “Superconductivity without phonons (Superconductividad sin fonones)”, explora cómo los materiales, bajo ciertas condiciones, pueden convertirse en superconductores de una forma no tradicional. La superconductividad es un fenómeno por el cual los materiales conducen la electricidad sin resistencia, usualmente a temperaturas extremadamente bajas de alrededor de menos 253 grados Celsius — el punto fantásticamente helado al cual el hidrógeno se hace líquido. La superconductividad se descubrió por primera vez en 1911.

Una nueva clase de materiales que se hacen superconductores a temperaturas cercanas a las del nitrógeno líquido — menos 196 grados Celsius — se conocen como “superconductores de alta temperatura”.

Una teoría para los superconductores convencionales de baja temperatura, que se basa en una interacción atractiva efectiva entre los electrones, se desarrollo en 1957 por John Bardeen, Leon Cooper y John Schrieffer. La explicación, a menudo conocida como Teoría BCS, ganó par el trío el Premio Nobel de Física en 1972.

La red de atracción entre electrones, la cual forma la base de la Teoría BCS, procede del acoplamiento a fonones, vibraciones cuantizadas de la estructura cristalina de un material superconductor; este acoplamiento lleva a la formación de un estado cuántico ocupado macroscópicamente que contiene pares de electrones — un estado que puede fluir sin encontrar resistencia, es decir, un estado superconductor.

“De forma similar a las vibraciones de una cama de agua que finalmente obligan a los ocupantes a reunirse en el centro, los fonones pueden obligar a los electrones de espín opuesto a atraerse entre sí, dice Pines, quien junto a Bardeen en 1954, demostró que esta atracción podría sobrepasar a la aparentemente mucho mayor repulsión entre electrones, allanando el camino para el desarrollo de la Teoría BCS años más tarde.

Sin embargo, de acuerdo con Pines, Monthoux y Lonzarich, la atracción electrónica lleva a que la superconductividad pueda tener lugar sin fonones en materiales que están en el límite de exhibir orden magnético — en los cuales los electrones se alinean ellos mismos siguiente patrones regulares de espines alternos.

En su investigación, Pines, Monthoux y Lonzarich examinan las características de materiales que hacen posibles una gran atracción efectiva que se origina en el acoplamiento de un electrón dado a los campos magnéticos internos producidos por otros electrones en el material. El emparejamiento resultante de electrones magnéticos puede generar superconductividad, a veces a temperaturas sustancialmente más altas de lo que se encuentran en los materiales para los cuales los fonones proporcionan la unión del par.

Entre las clases de materiales que parecen capaces de superconductividad sin fonones están los conocidos como superconductores de electrones pesados que han sido estudiados extensivamente en Los Álamos desde principios de los años 80, ciertos materiales orgánicos, y materiales de óxido de cobre que superconducen al doble de la temperatura a la cual se licua el nitrógeno.

“Si encontrásemos un material que superconduce a temperatura ambiente — el “Santo Grial” de la superconductividad — estará en esta clase de materiales”, dice Pines. “Esta investigación muestra la luz bajo la cual buscar nuevas clases de materiales superconductores”.



Fecha Original: 20 de diciembre de 2007
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