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

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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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