09 de abril de 2018
09.04.2018
Ciencia

Un material exótico exhibe lo nunca visto en superconductividad

Una nueva investigación revela efectos profundamente diferentes de cualquier cosa que se haya visto antes

10.04.2018 | 03:43
Interacciones de electrones.

Interacciones de electrones altamente inusuales observadas por físicos de la Universidad de Maryland, abren nuevas posibilidades en materiales exóticos con propiedades de superconductividad.

Cuando se enchufa un electrodoméstico o se enciende un interruptor de luz, la electricidad parece fluir instantáneamente a través de los cables en la pared. Pero, de hecho, la electricidad es transportada por pequeñas partículas llamadas electrones que se desplazan lentamente a través de los cables. En su viaje, los electrones ocasionalmente se topan con átomos de material conductor, perdiendo algo de energía con cada colisión.

El grado en que los electrones viajan sin obstáculos determina lo bien que un material puede conducir la electricidad. Los cambios ambientales pueden mejorar la conductividad, en algunos casos drásticamente. Por ejemplo, cuando ciertos materiales se enfrían a temperaturas frígidas, los electrones se combinan para que puedan fluir sin inhibiciones, sin perder energía en absoluto, un fenómeno llamado superconductividad.

Aunque se ha predicho que la superconductividad puede darse en sistemas exóticos, este tipo de comportamiento ha permanecido esquivo. La nueva investigación, publicada en la edición del 6 de abril de Science Advances, revela efectos que son profundamente diferentes de cualquier cosa que se haya visto antes con la superconductividad.

Las interacciones electrónicas en superconductores están dictadas por una propiedad cuántica llamada espín. En un superconductor ordinario, los electrones, que tienen un giro de 1/2, se emparejan y fluyen desinhibidos con la ayuda de las vibraciones en la estructura atómica. Esta teoría está bien probada y puede describir el comportamiento de la mayoría de los superconductores. En esta nueva investigación, el equipo descubre evidencia de un nuevo tipo de superconductividad en el material YPtBi, que parece surgir de partículas espín que giran a 3/2.

"Nadie realmente había pensado que esto era posible en materiales sólidos", explica Johnpierre Paglione, profesor de física en Maryland y autor principal del estudio. "Los estados de espín alto en átomos individuales son posibles, pero una vez que unes los átomos en un sólido, estos estados generalmente se rompen y terminas con la mitad de giro", añade.

Descubrir que YPtBi era un superconductor sorprendió a los investigadores. La mayoría de los superconductores comienzan como conductores razonablemente buenos, con una gran cantidad de electrones móviles, un ingrediente del que YPtBi carece. Según la teoría convencional, YPtBi necesitaría aproximadamente mil veces más electrones móviles para convertirse en superconductor a temperaturas inferiores a 0,8 Kelvin. Y aún así, al enfriar el material a esta temperatura, el equipo vio que la superconductividad sucedía de todos modos. Esta fue una primera señal de que algo exótico estaba sucediendo dentro de este material.

Después de descubrir la transición superconductora anómala, los investigadores realizaron mediciones que les dieron una idea del emparejamiento de electrones subyacente. Estudiaron una característica reveladora de los superconductores: su interacción con los campos magnéticos. A medida que el material experimenta la transición a un superconductor, tratará de expulsar cualquier campo magnético agregado de su interior. Pero la expulsión no es completamente perfecta. Cerca de la superficie, el campo magnético puede ingresar al material pero luego se desintegra rápidamente. La distancia a recorrer depende de la naturaleza del emparejamiento de electrones y cambia a medida que el material se enfría cada vez más.

Para probar este efecto, los investigadores variaron la temperatura en una pequeña muestra del material mientras lo exponían a un campo magnético más de diez veces más débil que el de la Tierra. Una bobina de cobre que rodeaba la muestra detectó cambios en las propiedades magnéticas del superconductor y permitió que el equipo midiera con sensibilidad pequeñas variaciones en la profundidad a la que llegaba el campo magnético dentro del superconductor.

La medición reveló una inusual intrusión magnética. A medida que el material se calentaba desde cero absoluto, la profundidad de penetración de campo para YPtBi aumentaba linealmente en lugar de exponencialmente como lo haría para un superconductor convencional.

Este efecto, combinado con otras mediciones y cálculos teóricos, limitó las posibles formas en que los electrones podrían emparejarse. Los investigadores concluyeron que la mejor explicación para la superconductividad eran los electrones disfrazados como partículas con un espín más alto, una posibilidad que ni siquiera se había considerado antes en el marco de la superconductividad convencional.

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