El escandio bate récord de temperatura para superconductores elementales – Física Mundial

El escandio sigue siendo un superconductor a temperaturas superiores a 30 K, lo que lo convierte en el primer elemento conocido que es superconductor a una temperatura tan alta. El descubrimiento récord fue realizado por investigadores de China, Japón y Canadá que sometieron el elemento a presiones de hasta 283 GPa, alrededor de 2.3 millones de veces la presión atmosférica al nivel del mar.

Muchos materiales se vuelven superconductores (es decir, conducen electricidad sin resistencia) cuando se enfrían a bajas temperaturas. El primer superconductor descubierto, por ejemplo, fue el mercurio sólido en 1911, y su temperatura de transición T_c  está sólo unos pocos grados por encima del cero absoluto. Poco después se descubrieron otros superconductores con valores igualmente helados de T_c.

A finales de la década de 1950, la teoría de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) explicaba esta transición superconductora como el punto en el que los electrones superan su repulsión eléctrica mutua para formar los llamados "pares de Cooper" que luego viajan sin obstáculos a través del material. Pero a partir de finales de los años 1980, surgió una nueva clase de superconductores de “alta temperatura” que no podían explicarse utilizando la teoría BCS. Estos materiales tienen T_c por encima del punto de ebullición del nitrógeno líquido (77 K), y no son metales. Más bien, son aislantes que contienen óxidos de cobre (cupratos), y su existencia sugiere que podría ser posible lograr superconductividad a temperaturas aún más altas.

La búsqueda de superconductores a temperatura ambiente ha continuado desde entonces, ya que dichos materiales mejorarían considerablemente la eficiencia de los generadores eléctricos y las líneas de transmisión, al mismo tiempo que simplificarían las aplicaciones comunes de la superconductividad (incluidos los imanes superconductores en aceleradores de partículas y dispositivos médicos como escáneres de resonancia magnética). y más barato.

Una plataforma sencilla para estudiar la superconductividad

Los superconductores elementales han atraído considerable atención durante esta búsqueda porque proporcionan plataformas simples para estudiar la superconductividad. Se sabe que aproximadamente 20 elementos son superconductores a presión ambiental. De estos, el niobio tiene el mayor T_c, alrededor de 9.2 K. Otros 30 elementos se vuelven superconductores a altas presiones, pero el récord anterior T_c en este grupo fue sólo 26 K, para el elemento titanio.

En trabajos anteriores, los investigadores informaron que el escandio (Sc) sufre cuatro transiciones de fase estructural a presiones de aproximadamente 23, 104, 140 y 240 GPa, produciendo Sc II, Sc III, Sc IV y Sc V, respectivamente. También se sabía que el escandio se volvía superconductor a 21 GPa con una T_c de alrededor de 0.35 K, y experimentos anteriores habían impulsado este T_c tan alto como 19.6 K a 107 GPa, cerca del límite de fase entre las fases Sc II y Sc III.

En el nuevo trabajo, que dirige el investigador Changqing Jin describe como "una continuación de nuestro descubrimiento anterior" de la superconductividad en titanio a 26 K, un equipo del Instituto de Física, Academia de Ciencias de China (IOPCAS) y la Facultad de Física de la Universidad de la Academia de Ciencias de China (UCAS) aumentaron la presión sobre el escandio a 238 GPa. Al hacerlo, descubrieron una T_c superior a 30 K en la fase V del elemento. El resultado significa que el escandio es el único superconductor elemental conocido que tiene una T_c en el rango de 30 K, y el equipo sugiere que este valor puede aumentar aún más con una mayor compresión.

En un estudio separado, un equipo de investigadores dirigido por Chen Xianhui del desplegable Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC) de la Academia China de Ciencias (CAS) y Sun Jian Desde Universidad de Nanjing obtuvieron de forma independiente resultados similares que muestran que T_c de escandio aumenta monótonamente en la región de 30 K a medida que aumenta la presión. Ambos equipos obtuvieron sus resultados cargando su muestra de escandio en una celda de yunque de diamante y midiendo la conductividad del elemento en función de la temperatura a medida que aumentaban la presión. Estos experimentos son técnicamente desafiantes y fueron necesarios varios intentos antes de alcanzar la alta presión de 283 GPa.

Transferencia de electrones inducida por presión

En el marco del BCS, la superconductividad surge de las interacciones entre electrones y vibraciones en la red cristalina del material (fonones). Según los investigadores, el escandio encaja perfectamente en este panorama, ya que las altas presiones hacen que los electrones salgan de los orbitales 4s del elemento hacia los 3d, aumentando el acoplamiento electrón-fonón.

La superconductividad de Mercurio explicada por fin

“Los 30 KT anteriores_c observado en la fase Sc V no sólo establece un nuevo récord para elemental T_c, pero también apunta a una nueva estrategia para explorar altas T_c superconductividad en diversos sólidos elementales”, dice Jin. Mundo de la física. "Estos elementos podrían ser prometedores para posibles aplicaciones en entornos extremos".

Jin añade que él y sus colegas ahora están intentando llegar alto. T_c fases a presión más baja o incluso cercana a la ambiental mediante la introducción de "presión química", que implica sustituir o agregar entidades químicas a una red sólida.

El trabajo se detalla en Letras de física chinas.

• Distribución de relaciones públicas y contenido potenciado por SEO. Consiga amplificado hoy.
• PlatoData.Network Vertical Generativo Ai. Empodérate. Accede Aquí.
• PlatoAiStream. Inteligencia Web3. Conocimiento amplificado. Accede Aquí.
• PlatoESG. Carbón, tecnología limpia, Energía, Ambiente, Solar, Gestión de residuos. Accede Aquí.
• PlatoSalud. Inteligencia en Biotecnología y Ensayos Clínicos. Accede Aquí.
• Fuente: https://physicsworld.com/a/scandium-breaks-temperature-record-for-elemental-superconductors/