Una investigación ofrece una nueva visión, y un nuevo ángulo, de la superconductividad a alta temperatura

Esta imagen muestra una estructura enlazada de átomos de cobre y oxígeno en un plano dentro del cuprato. (Imagen: Cortesía del Laboratorio Yazdani)

Un equipo de investigación liderado por Princeton ha revelado una sorprendente información sobre cómo el comportamiento de los electrones influye en la conducción de la electricidad en un tipo de superconductores de alta temperatura. Una mejor comprensión de este mecanismo podría algún día transformar un número de tecnologías, incluyendo la transmisión de energía eléctrica.

El emparejamiento de electrones, que normalmente se repelen entre sí, es un prerrequisito conocido para la superconductividad – la capacidad de ciertos materiales de conducir la electricidad sin resistencia.

En 1986, los científicos descubrieron los superconductores de cerámica de alta temperatura, a menudo conocidos como cupratos por las capas de óxido de cobre que contienen. Estas cerámicas exhiben superconductividad a temperaturas aplicables en la práctica, alrededor de 165 Kelvin (-108 C), la cual puede alcanzarse con el nitrógeno líquido. Desde entonces, los científicos no han logrado comprender este fenómeno, a menudo invocando explicaciones usadas durante más de 50 años para explicar el comportamiento de los elementos, tales como el plomo, que se comportan como superconductores a temperaturas cercanas al cero absoluto. Una idea común es que el emparejamiento de electrones más fuerte permite que la superconductividad tenga lugar a temperaturas más altas.

Pero los resultados publicados por el equipo en el ejemplar del 26 de junio de la revista Science demuestran que sólo la fuerza del emparejamiento de electrones no controla la temperatura a la que estos materiales se comportan como superconductores. En los cupratos, el rango de ángulos sobre el cual los electrones exhiben emparejamiento de superconductividad también es crítico. La superconductividad óptica tiene lugar cuando los electrones son capaces de emparejarse de forma efectiva a lo largo del mayor rango de ángulos.

Para describir esto, imagina los electrones brincando en una retícula cuadrada de átomos que están químicamente ligados entre sí. En cada instante, un electrón en cada lugar atómico puede emparejarse con otro electrón de un lugar cercano. Estos pares pueden formarse en una variedad de ángulos distintos en relación a los enlaces químicos que mantienen unida la red atómica.

“Estos materiales y su exótica superconductividad nos fuerza a re-examinar constantemente las ideas mantenidas desde hace tiempo sobre la conexión entre el emparejamiento de electrones y la superconductividad”, dijo Ali Yazdani, profesor de física en Princeton y miembro del equipo de investigación.

Los científicos trabajaron con cupratos que contenían capas de óxido de cobre organizadas en una estructura reticular con átomos de otros elementos, incluyendo bismuto, estroncio y calcio. Extrañamente, estos materiales normalmente se comportan como aislantes, lo que significa que no conducen la electricidad en absoluto, pero puede hacerse que se comporten como conductores cambiando el número de electrones que contienen. La sustitución química de ciertos elementos por otros, un proceso conocido como “dopado”, se usa común mente para alterar el número de electrones en el material y lograr una variedad de distintas “temperaturas de transición” para la superconductividad, en cuyo punto los materiales empiezan a conducir la electricidad sin resistencia. Con un dopado mayor, la temperatura de transición en los cupratos se sabe que sube hasta que se alcanza cierto punto de “nivel óptimo de dopado”. Un dopado adicional tras este punto provoca que baje la temperatura de transición. Los científicos están impacientes por encontrar un superconductor con la mayor temperatura de transición con la esperanza de descubrir un día materiales que transmitan la electricidad sin resistencia a temperatura ambiente.

La razón subyacente para este pico en la temperatura de transición ha sido tan desconcertante como el mecanismo de superconductividad en estos compuestos. A menudo se piensa que la mayor temperatura de transición simplemente se asocia con un emparejamiento más fuerte de los electrones.

Usando microscopios de barrido de túnel, el equipo de científicos midió la fuerza del emparejamiento de electrones en muestras con distintos niveles de dopado. Como se esperaba, encontraron que el dopado más allá de cierto nivel debilitaba la fuerza del emparejamiento de electrones y se reducía la temperatura de transición de las muestras.

Quedaron sorprendidos al encontrar, no obstante, que la fuerza del emparejamiento de electrones era igual en las muestras menos dopadas con menores temperaturas de transición y las muestras dopadas óptimamente con la temperatura de transición más alta.

“Esto fue una gran sorpresa”, dijo Yazdani. “Nos forzó a reconsiderar qué está controlando la temperatura de transición más allá de la usual fuerza de emparejamiento”.

Buscando una explicación, los científicos desarrollaron una nueva técnica que les permitió investigar los ángulos en los que los electrones mostraban emparejamiento de superconductividad en las distintas muestras.

El equipo descubrió que las temperaturas de transición parecían estar controladas por el rango de ángulos a lo largo del cual tenía lugar el emparejamiento de superconductividad. Estos superconductores con las temperaturas de transición más altas demostraron un emparejamiento electrónico fuerte a lo largo del mayor rango de ángulos.

En los superconductores con temperaturas de transición más bajas, los pares de electrones aún estaban presentes, pero el rango de ángulos a lo largo de los que estos pares de electrones eran efectivos para superconducir se observó que disminuía.

En el futuro, el equipo intentará investigar los detalles de este mecanismo de emparejado más detalladamente en un intento de determinar qué hace que los pares de electrones sean poco efectivos para superconducir en ciertos ángulos en algunas muestras. Su objetivo final es aplicar esta nueva comprensión al diseño de superconductores con unas temperaturas de transición mayores que las actualmente conocidas.

Estos resultados se basan en los experimentos del equipo a lo largo de los últimos años, los cuales han buscando la fuerza fundamental que “pega” los electrones en pares y demostrar que el emparejamiento de electrones puede presentarse incluso a temperaturas mayores que cuando las muestras exhiben resistencia cero. Su investigación fue posible gracias a los potentes microscopios de barrido de túnel construidos por el equipo, los cuales permitieron medidas detalladas de las propiedades del material con una precisión extraordinaria.


Autor: Hilary Parker
Fecha Original: 29 de junio de 2009
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Comments (4)

  1. Interesante artículo que nos dice de la importancia de los superconductores y de como la Ciencia investiga, trabaja y avanza en el conocimiento de ésta materia que, será de suma importancia para muchas de las parcelas de las que, en cierta manera, dependen la Humanidad.

    Se ha avanzado mucho en el conocimiento de los materiles que son idóneos para la superconductividad y, sobre las temperaturas y fases que tienen que alcanzar algunos materiales para conducir la electricidad con la menor resistencia o sin ninguna resistencia.

    Los copratos de cerámica con sus capas de óxido de cobre a temperaturas adecuadas, o el comportamiento del plomo como superconductor de electricidad a temperaturas cercanas al cero absoluto.

    No hablamos ya del hidrógerno líquido, sino que se traqbaja con Bismuto, Estroncio o Calcio y, desde luego, las perspectivas son esperanzadoras en alcanzar un nivel de conocimiento muy avanzado que nos permita saber sobre el emparejamiento de los electrones que, repeliéndose entre sí al tener ambos fuerzas o cargas negativas, se asocian para que se pueda alcanzar dicha situación de supercobnductivdad.

    Temperaturas de transición más bajas, rango de los ángulos que disminuyen la espectativa, el nivel de dopado que si no es el adecuado debilita el resultado, y, en fin, una serie de pre-rrequisitos que deben ser tenidos en cuenta para que, dicha técnica tenga el éxito esperado.

    No parece que, en verdad, le demos al electrón la importancia que realmente tiene en la Naturaleza. Creo, sin temor a equivocarme que, podríamos estar hablando de una de las partículas más importantes que existen en la Naturaleza y, desde luego, guarda tantos secretos que el día que podamos desvelar algunosd e ellos, se irán secando las fuentes torrenciales de nuestra enorme ignorancia.

    Me acuerdo, en este momento, del misterioso número puro y adimensional, 137, el número de la constante de estructura fina que está simbolizada por la letra griega alfa, y, que, como todos bien sabeis, esconde los secretos del electromagnetismo (e), de la relatividad general (c) y de la Mecánica cuántica (h).

    Siempre está presente el electrón, en todos aquellos avanzces de la Física que se precian, allí está presente y, no perdamos de vista ninguno de los acontecimientos que están por llegar con el LHC que, nos podrían decir algunas cosas que, paraq muchos serán una auténtica sorpresa.

    Algún día, cuando en verdad conozcamos lo que es el electrón, los materiales serán lo que nosotros queramos que sean y, ese día, amigos míos, podremos decir que hemos alcanzado la mayoría de edad.

    ¡Que bonito es saber!

    • Turok

      Hombre, la importancia de los electrones es de sobras conocida.Toda la química se basa en el diferente número de electrones que tienen los diferentes elementos de la tabla periódica.De hecho que un elemento tenga determinadas propiedades es debido al número de electrones que se encuentran en sus orbitales.Y no es que sea bonito saber, es que es imprescindible..y bonito.

  2. El electrón es una maravilla en sí mismo.

    ¡Os imaginais que, sin ellos, no se podrían formar átomos y que la materia tan como la conocemos no existiria. El electrón es el contrapunto de estabilidad que necesitan los núcleos de bariones (protones y neutrones) que, con cargas positivas conforman aproximadamrnte el 99,99 % de la materia del átomo, o lo que es lo mismo, en espacio ocupan el 1/100.000 del núcleo y, sin embargo, se podría decir que es, toda su materia.

    Habría que atender con más atención a las ecuaciones de Dirar que, sobre el electrón dejó para nosotros, su altura y belleza son igualables a las de la relatividad de Eintein, y, de ellas, se pudo intutir de la presencia de la antimateria en los positrones que, poco después de él anunciarlos, apracerieon.

    La familia de leptones: electrón, muón y partícula tau con su correspondientes neutrinos son, en realidad, con los Qiarks, todos los componentes de la materia del Universo. Bueno, de la materia Bariónica, esa que emite radiación y que podemos ver, la que conforma estrellas galaxias, planetas y personas.ç

    La otra, esa que no emite radiación y que nadie sabe por donde pueda estar, ya nos dejó una gran pista cuando se formaron las primeras galaxias que, según la Ley de Hubble nunca habría sido posible que se formacen sin la presencia aquói de alguna fuerxa que ejerciera la gravedad suficiente para retener al material que las conformó.

    Está claro que todos olos intemntos hasta el momento han sido vanos. Por mi parte, así lo tengo registrado, creo que están en otro lugar (no se si llamarle dimensión) y, sólo, a través de fluctuaciones de vacío que rasgan el espaciotiempo, dejan pasar a las partículas transmisoras de la fuerza: Los Gravitones, que la traen a nuestro espacio y hacen posible que de esa forma la tengamos presente aunque, lo que es la materia o energía oscuras, en realuidad, no estén aquí, sólo sus partículas mediadoras.

    En fin, que a partir de los electrones del que sólo sabemos su masa y poco más, podemos adentrarnos en el fascinante mundo de la mecánica cuántica que, de momento, desconocemos y, no será, hasta que (si es que llega) se verifica la Teoría M de cuerdas, el momento en que, podamos tener algunas preguntas contestadas que, de momento, por falta de conocimiento, ni sabemos plantear.

    En relación a esas grandes temperaturas, no debemos extrañarnos que allí, ocurran otras cosas distintas a las que puedan ocurrir aquí. Recordad que, al comienzo, el universo tenía una densidad y temperatuas que sobrepasan nuestra imaginación. Allí, la simetría era tan alta que sólo existía una sóla fuerza y, sólo al enfriarse, esa simetría quedó rota y aparecieron las cuatro fuierzas funmdamentales que hoy conocemos: Las nucleares débil y fuerte, el electromagnetismo y la Gravedad.

    A partir de ahí, los fotones quedaron libres y la luz se hizo, el universo opaco se esfumo para dar paso a ese otro transparente que hoy conocemos y, la materia del universo, a partir de los 200-300 mil años, formó las primeras estrellas y galaxias pero, donde estaba mientras tanto esa materia esquiva que llamamos oscura.

    Es todo tan complejo que, ni del modelo más aceptado (el big bang) estamos nada seguros, hay muchas oscuridades que no p0odemos explicar. El Modelo estándar de la Física, es una buena herramienta -de momnento- pero, lleva incplícito 26 parámetros que han sido colados con calzador para wque todo cuadre, es feo y en nada se parece a la bella teoría relativista de Ennstein que está basada en primeros principios.

    Además de feo, el Modelo estándar es comnplejo, farragoso y contiene tantas partículas que marean a cualquiera, ya dijo Fermi que preferiría haber sido botánico antes que físico si tuviera que conocer todo los nombres de las partículas.

    En fin, esperemos que venga el LHC y, cuando comience su trabajo y se adentre en los campos y océanos de Higgs, nos pueda contestar muchas respuestas desde ese mundo cuántico invisible que só es posible visitar en el carro de grandes energías.

    Esperemos que sea para bien.

  3. Sigfrid

    El mundo esta cambiando. Al leer su articulo Emilio mas claro lo veo, todavia recuerdo
    las clases de Fisica en la Facultad , y como un puñado de personajes intentaban
    aclararnos las diferentes fuerzas que rigen nuestro actual universo , la debil , la fuerte
    el electromagnetismo y la gravedad para al final del curso llegar con una idea
    mas o menos clara de lo que es la materia, que la mantiene en su estado y como se
    define.
    Esto que ahora se comenta en cualquier circulo de debate se ha
    complicado con una infinidad de particulas subyacentes en todo este mundo subatomico.Parece que estamos inmersos en la archiconocida madriguera de conejo y que a mayor “enfoque” mas particulas aparecen, se sigue buscando mas, la particula de dios, quizas aparezca con el LHC, quizas este nuevo instrumento de lugar a otras todavia no encajadas en esta ecuacion que tenemos actualmente balanceada para que
    sea entendible en nuestro pensamiento (feo, desordenado como a drede), pero
    lo comentamos yo en mi propia ignorancia y usted en sus ganas de saber, y eso es
    lo importante para mi, queremos saber y debe ser ese saber lo que nos lleve al orden
    a la simplicidad del conjunto.Tan simple debe ser que comenzo como termino yo hoy
    con un punto. Enhorabuena por su articulo.

    Desde Almeria , alguien que espera que le inviten a algo frequito.

    actual balanceada ecuación

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