Durante décadas, una familia de cristales ha dejado perplejos a los físicos con su desconcertante capacidad de superconducción, es decir, transportar una corriente eléctrica sin ninguna resistencia, a temperaturas mucho más cálidas que otros materiales.
Ahora, un experimento de años en desarrollo ha superconductividad visualizada directamente a escala atómica en uno de estos cristales, revelando finalmente la causa del fenómeno para satisfacción de casi todos. Los electrones parecen empujarse unos a otros en un flujo sin fricción de una manera sugerida por primera vez por una teoría venerable casi tan antigua como el misterio mismo.
“Esta evidencia es realmente hermosa y directa”, dijo Subir Sachdev, un físico de la Universidad de Harvard que construye teorías de los cristales, conocidos como cupratos, y no participó en el experimento.
“He trabajado en este problema durante 25 años y espero haberlo resuelto”, dijo JC Séamus Davis, quien dirigió el nuevo experimento en la Universidad de Oxford. "Estoy absolutamente emocionado".
La nueva medida coincide con una predicción basada en la teoría, que atribuye la superconductividad del cuprato a un fenómeno cuántico llamado superintercambio. “Estoy asombrado por el acuerdo cuantitativo”, dijo André-Marie Tremblay, físico de la Universidad de Sherbrooke en Canadá y líder del grupo que hizo la predicción el año pasado.
La investigación avanza en la ambición perenne del campo: tomar la superconductividad del cuprato y fortalecer su mecanismo subyacente, para diseñar materiales capaces de cambiar el mundo y ser superconductores de electricidad a temperaturas aún más altas. La superconductividad a temperatura ambiente brindaría una eficiencia perfecta a la electrónica cotidiana, las líneas eléctricas y más, aunque el objetivo sigue siendo lejano.
“Si esta clase de teoría es correcta”, dijo Davis, refiriéndose a la teoría del superintercambio, “debería ser posible describir materiales sintéticos con diferentes átomos en diferentes lugares” para los cuales la temperatura crítica es más alta.
dos pegamentos
Los físicos han luchado con la superconductividad desde que se observó por primera vez en 1911. El científico holandés Heike Kamerlingh Onnes y sus colaboradores enfriaron un alambre de mercurio a unos 4 kelvin (es decir, 4 grados por encima del cero absoluto) y observaron con asombro cómo la resistencia eléctrica caía en picado a cero. . Los electrones se abrieron paso hábilmente a través del cable sin generar calor cuando chocaron con sus átomos, el origen de la resistencia. Se necesitaría "una vida de esfuerzo", dijo Davis, para descubrir cómo.
Sobre la base de ideas experimentales clave de mediados de la década de 1950, John Bardeen, Leon Cooper y John Robert Schrieffer publicaron su teoría ganadora del Premio Nobel de esta forma convencional de superconductividad en 1957. La "teoría BCS", como se la conoce hoy, sostiene que las vibraciones que se mueven a través de filas de átomos "pegan" los electrones. Cuando un electrón cargado negativamente vuela entre los átomos, atrae los núcleos atómicos cargados positivamente hacia él y provoca una onda. Esa onda atrae un segundo electrón. Superando su feroz repulsión eléctrica, los dos electrones forman un "par de Cooper".
“Es un verdadero engaño de la naturaleza”, dijo Jörg Schmalian, físico del Instituto de Tecnología de Karlsruhe en Alemania. “Este par de Cooper no se supone que suceda”.
Cuando los electrones se acoplan, más trucos cuánticos hacen que la superconductividad sea inevitable. Normalmente, los electrones no pueden superponerse, pero los pares de Cooper siguen una regla mecánica cuántica diferente; actúan como partículas de luz, cualquier cantidad de las cuales puede acumularse en la cabeza de un alfiler. Muchos pares de Cooper se unen y se fusionan en un solo estado mecánico cuántico, un "superfluido", que se vuelve ajeno a los átomos entre los que pasa.
La teoría BCS también explica por qué el mercurio y la mayoría de los demás elementos metálicos son superconductores cuando se enfrían cerca del cero absoluto, pero dejan de hacerlo por encima de unos pocos kelvin. Las ondas atómicas son el más débil de los pegamentos. Suba el calor, sacudirá los átomos y eliminará las vibraciones de la red.
Luego, en 1986, los investigadores de IBM Georg Bednorz y Alex Müller encontraron un pegamento de electrones más fuerte en los cupratos: cristales que consisten en láminas de cobre y oxígeno intercaladas entre capas de otros elementos. Después de ellos observó un cuprato superconductores a 30 kelvins, los investigadores pronto encontraron otros superconductores encima de 100, y luego arriba 130 kelvin.
El avance lanzó un esfuerzo generalizado para comprender el pegamento más resistente responsable de esta superconductividad de "alta temperatura". Quizás los electrones se agruparon para crear concentraciones irregulares y onduladas de carga. O tal vez interactuaron a través del espín, una propiedad intrínseca del electrón que lo orienta en una dirección particular, como un imán de tamaño cuántico.
El difunto Philip Anderson, premio Nobel estadounidense y leyenda de la física de la materia condensada, planteó una teoría solo unos meses después de que se descubriera la superconductividad a alta temperatura. En el corazón del pegamento, argumentó, yacía un fenómeno cuántico descrito anteriormente llamado superintercambio, una fuerza que surge de la capacidad de los electrones para saltar. Cuando los electrones pueden saltar entre múltiples ubicaciones, su posición en cualquier momento se vuelve incierta, mientras que su impulso se define con precisión. Un momento más agudo puede ser un momento más bajo y, por lo tanto, un estado de energía más bajo, que las partículas buscan naturalmente.
El resultado es que los electrones buscan situaciones en las que puedan saltar. Un electrón prefiere apuntar hacia abajo cuando su vecino apunta hacia arriba, por ejemplo, ya que esta distinción permite que los dos electrones salten entre los mismos átomos. De esta manera, el superintercambio establece un patrón regular arriba-abajo-arriba-abajo de espines de electrones en algunos materiales. También empuja a los electrones para que se mantengan separados a cierta distancia. (Demasiado lejos, y no pueden saltar.) Es esta atracción efectiva lo que Anderson creía que podía formar fuertes parejas de Cooper.
Los experimentadores lucharon durante mucho tiempo para probar teorías como la de Anderson, ya que las propiedades materiales que podían medir, como la reflectividad o la resistencia, ofrecían solo resúmenes toscos del comportamiento colectivo de billones de electrones, no pares.
“Ninguna de las técnicas tradicionales de la física de la materia condensada fue diseñada para resolver un problema como este”, dijo Davis.
Super-Experimento
Davis, un físico irlandés con laboratorios en Oxford, la Universidad de Cornell, el University College Cork y la Escuela Internacional de Investigación Max Planck de Química y Física de Materiales Cuánticos en Dresden, ha desarrollado gradualmente herramientas para analizar los cupratos a nivel atómico. Experimentos anteriores midieron la fuerza de la superconductividad de un material enfriándolo hasta que alcanzó la temperatura crítica donde comenzó la superconductividad, donde las temperaturas más cálidas indicaban un pegamento más fuerte. Pero durante la última década, el grupo de Davis ha refinado una forma de empujar el pegamento alrededor de los átomos individuales.
Modificaron una técnica establecida llamada microscopía de túnel de barrido, que arrastra una aguja a través de una superficie, midiendo la corriente de electrones que saltan entre los dos. Al cambiar la punta metálica normal de la aguja por una punta superconductora y pasarla por un cuprato, midieron una corriente de pares de electrones en lugar de individuos. Esto les permitió mapear la densidad de los pares de Cooper que rodean a cada átomo, una medida directa de la superconductividad. Publicaron la primera imagen de enjambres de pares de Cooper in Naturaleza en el 2016.
Ese mismo año, un experimento de físicos chinos proporcionó una prueba importante apoyando la teoría del superintercambio de Anderson: demostraron que cuanto más fácil es para los electrones saltar entre los átomos de cobre y oxígeno en un cuprato dado, mayor es la temperatura crítica del cuprato (y, por lo tanto, más fuerte es su pegamento). Davis y sus colegas buscaron combinar los dos enfoques en un solo cristal de cuprato para revelar de manera más concluyente la naturaleza del pegamento.
El momento “ajá” se produjo en una reunión grupal por Zoom en 2020, dijo. Los investigadores se dieron cuenta de que un cuprato llamado bismuto, estroncio, calcio, óxido de cobre (BSCCO, o "bisko", para abreviar) tenía una característica peculiar que hizo posible el experimento de sus sueños. En BSCCO, las capas de átomos de cobre y oxígeno se comprimen en un patrón ondulado por las láminas de átomos circundantes. Esto varía las distancias entre ciertos átomos, lo que a su vez afecta la energía requerida para saltar. La variación causa dolores de cabeza a los teóricos, a quienes les gusta que sus redes estén ordenadas, pero les dio a los experimentadores exactamente lo que necesitaban: un rango de energías de salto en una muestra.
Usaron un microscopio de barrido tradicional con una punta de metal para pegar electrones en algunos átomos y extraerlos de otros, mapeando las energías de salto a través del cuprato. Luego intercambiaron una punta de cuprato para medir la densidad de los pares de Cooper alrededor de cada átomo.
Los dos mapas alineados. Donde los electrones luchaban por saltar, la superconductividad era débil. Donde saltar era fácil, la superconductividad era fuerte. La relación entre la energía de salto y la densidad del par de Cooper coincidió estrechamente con un sofisticado predicción numérica de 2021 por Tremblay y colegas, que argumentaron que esta relación debería seguir la teoría de Anderson.
Súper pegamento de intercambio
El hallazgo de Davis de que la energía de salto está relacionada con la fuerza de la superconductividad, publicado este mes en la Actas de la Academia Nacional de Ciencias, implica fuertemente que el superintercambio es el superpegamento que permite la superconductividad a alta temperatura.
"Es un buen trabajo porque trae una nueva técnica para mostrar aún más que esta idea tiene piernas", dijo Alí Yazdani, un físico de la Universidad de Princeton que ha desarrollado técnicas similares para estudiar cupratos y otros casos exóticos de superconductividad en paralelo con el grupo de Davis.
Pero Yazdani y otros investigadores advierten que todavía existe la posibilidad, por remota que sea, de que la fuerza del pegamento y la facilidad para saltar se muevan al unísono por alguna otra razón, y que el campo esté cayendo en la clásica trampa de correlación-igual-causalidad. Para Yazdani, la forma real de probar una relación causal será aprovechar el superintercambio para diseñar algunos superconductores nuevos y llamativos.
“Si está terminado, aumentemos Tc”, dijo, refiriéndose a la temperatura crítica.
El superintercambio no es una idea nueva, por lo que muchos investigadores ya han pensado en como fortalecerlo, tal vez aplastando aún más la red de cobre y oxígeno o experimentando con otros pares de elementos. “Ya hay predicciones sobre la mesa”, dijo Tremblay.
Por supuesto, dibujar planos atómicos y diseñar materiales que hagan lo que los investigadores quieren no es rápido ni fácil. Además, no hay garantía de que incluso los cupratos hechos a medida alcancen temperaturas críticas mucho más altas que las de los cupratos que ya conocemos. La fuerza del superintercambio podría tener un techo rígido, al igual que las vibraciones atómicas. algunos investigadores son investigando candidatos para tipos de pegamento completamente diferentes y potencialmente incluso más fuertes. Otros aprovechar las presiones sobrenaturales para apuntalar las vibraciones atómicas tradicionales.
Pero el resultado de Davis podría energizar y enfocar los esfuerzos de los químicos y científicos de materiales que buscan elevar los superconductores de cuprato a mayores alturas.
“La creatividad de las personas que diseñan materiales es ilimitada”, dijo Schmalian. “Cuanto más seguros estemos de que un mecanismo es correcto, más natural será invertir más en este”.
