Cuando su computadora portátil o teléfono inteligente se calienta, se debe a la energía que se pierde en la traducción. Lo mismo ocurre con las líneas eléctricas que transmiten electricidad entre ciudades. De hecho, alrededor del 10 por ciento de la energía generada se pierde en la transmisión de electricidad. Esto se debe a que los electrones que transportan carga eléctrica lo hacen como agentes libres, chocando y rozando contra otros electrones mientras se mueven colectivamente a través de cables de alimentación y líneas de transmisión. Todos estos empujones generan fricción y, en última instancia, calor.
Pero cuando los electrones se emparejan, pueden elevarse por encima de la refriega y deslizarse a través de un material sin fricción. Este comportamiento «superconductor» ocurre en una variedad de materiales, aunque a temperaturas ultrafrías. Si estos materiales pueden convertirse en superconductores más cerca de la temperatura ambiente, podrían allanar el camino para dispositivos de pérdida cero, como computadoras portátiles y teléfonos sin calor, y líneas eléctricas ultraeficientes. Pero primero, los científicos tendrán que entender cómo se emparejan los electrones en primer lugar.
Ahora, nuevas instantáneas de partículas que se emparejan en una nube de átomos pueden proporcionar pistas sobre cómo se emparejan los electrones en un material superconductor. Las instantáneas fueron tomadas por físicos del MIT y son las primeras imágenes que capturan directamente el emparejamiento de fermiones, una clase importante de partículas que incluye electrones, así como protones, neutrones y ciertos tipos de átomos.
En este caso, el equipo del MIT trabajó con fermiones en forma de átomos de potasio-40, y en condiciones que simulan el comportamiento de los electrones en determinados materiales superconductores. Desarrollaron una técnica para obtener imágenes de una nube sobreenfriada de átomos de potasio-40, lo que les permitió observar cómo se emparejaban las partículas, incluso cuando estaban separadas por una pequeña distancia. También podían identificar patrones y comportamientos interesantes, como la forma en que las parejas formaban tableros de ajedrez, que eran perturbados por los solteros que pasaban solos.
Las observaciones, reportadas hoy en Ciencia, puede servir como modelo visual de cómo los electrones pueden emparejarse en materiales superconductores. Los resultados también pueden ayudar a describir cómo los neutrones se emparejan para formar un superfluido intensamente denso y agitado dentro de las estrellas de neutrones.
«El emparejamiento de fermiones está en la base de la superconductividad y muchos fenómenos en la física nuclear», dice el autor del estudio Martin Zwierlein, profesor de física Thomas A. Frank en el MIT. «Pero nadie había visto esta pareja in situ. Así que fue impresionante ver finalmente estas imágenes en pantalla, fielmente».
Los coautores del estudio incluyen a Thomas Hartke, Botond Oreg, Carter Turnbaugh y Ningyuan Jia, todos miembros del Departamento de Física del MIT, el Centro de Átomos Ultrafríos del MIT-Harvard y el Laboratorio de Investigación de Electrónica.
Una vista decente
Observar directamente pares de electrones es una tarea imposible. Simplemente son demasiado pequeños y demasiado rápidos para capturarlos con las técnicas de imagen existentes. Para comprender su comportamiento, físicos como Zwierlein han buscado sistemas de átomos análogos. Tanto los electrones como ciertos átomos, a pesar de su diferencia de tamaño, son similares en el sentido de que son fermiones, partículas que exhiben una propiedad conocida como «giro medio entero». Cuando los fermiones de espín opuesto interactúan, pueden emparejarse, como lo hacen los electrones en los superconductores y como ciertos átomos en una nube de gas.
El grupo de Zwierlein ha estado estudiando el comportamiento de los átomos de potasio-40, que son fermiones conocidos, que se pueden preparar en uno de los dos estados de espín. Cuando un átomo de potasio de un espín interactúa con un átomo de otro espín, pueden formar un par, similar a los electrones superconductores. Pero en condiciones normales de temperatura ambiente, los átomos interactúan en un desenfoque que es difícil de capturar.
Para obtener una visión decente de su comportamiento, Zwierlein y sus colegas estudian las partículas como un gas muy diluido de aproximadamente 1,000 átomos, que colocan en condiciones ultra frías de nanokelvin que reducen la velocidad de los átomos. Los investigadores también contienen el gas dentro de una red óptica, o una rejilla de luz láser en la que los átomos pueden saltar, y que los investigadores pueden usar como un mapa para identificar las ubicaciones precisas de los átomos.
En su nuevo estudio, el equipo realizó mejoras en su técnica existente para obtener imágenes de fermiones que les permitieron congelar momentáneamente los átomos en su lugar y luego tomar instantáneas por separado de los átomos de potasio-40 con un espín particular u otro. Luego, los investigadores podrían superponer una imagen de un tipo de átomo sobre el otro y observar dónde se emparejaron los dos tipos y cómo.
«Fue muy difícil llegar a un punto en el que pudiéramos tomar estas imágenes», dice Zwierlein. «Puedes imaginarte al principio tener grandes y gordos agujeros en tus imágenes, tus átomos se escapan, nada funciona. Hemos tenido problemas terriblemente complicados para resolver en el laboratorio a lo largo de los años, y los estudiantes tenían una gran resistencia y, finalmente, para poder ver estas imágenes fue absolutamente emocionante».
pareja de baile
Lo que el equipo vio fue el comportamiento de emparejamiento entre los átomos que predijo el modelo de Hubbard, una teoría ampliamente difundida que se cree que es la clave del comportamiento de los electrones en los superconductores de alta temperatura, materiales que exhiben superconductividad a temperaturas relativamente altas (aunque todavía muy altas). frío) temperaturas. Las predicciones de cómo se emparejan los electrones en estos materiales se han probado a través de este modelo, pero nunca se han observado directamente hasta ahora.
El equipo creó e imaginó diferentes nubes de átomos miles de veces y tradujo cada imagen a una versión digitalizada que se asemeja a una cuadrícula. Cada cuadrícula mostraba la ubicación de los átomos de ambos tipos (representados como rojo versus azul en su papel). A partir de estos mapas, pudieron ver cuadrados en la cuadrícula con un solo átomo rojo o azul, y cuadrados donde un átomo rojo y azul se emparejaban localmente (representados como blanco), así como cuadrados vacíos que no contenían un átomo rojo o azul. o átomo azul (negro).
Las imágenes individuales ya muestran muchos pares locales y átomos rojos y azules muy cerca. Mediante el análisis de conjuntos de cientos de imágenes, el equipo pudo mostrar que los átomos se muestran en pares, a veces uniéndose en un par apretado dentro de un cuadrado, y otras veces formando pares más sueltos, separados por uno o varios espacios de cuadrícula. Esta separación física, o «emparejamiento no local», fue predicha por el modelo de Hubbard pero nunca observada directamente.
Los investigadores también observaron que las colecciones de parejas parecían formar un patrón de tablero de ajedrez más amplio, y que este patrón entraba y salía de la formación cuando uno de los miembros de una pareja se aventuraba fuera de su cuadrado y distorsionaba momentáneamente el tablero de ajedrez de otras parejas. Este fenómeno, conocido como «polaron», también fue predicho pero nunca visto directamente.
«En esta sopa dinámica, las partículas están constantemente saltando una encima de la otra, alejándose, pero nunca bailando demasiado lejos unas de otras», señala Zwierlein.
El comportamiento de emparejamiento entre estos átomos también debe ocurrir en los electrones superconductores, y Zwierlein dice que las nuevas instantáneas del equipo ayudarán a informar la comprensión de los científicos sobre los superconductores de alta temperatura, y tal vez proporcionen información sobre cómo estos materiales podrían ajustarse a temperaturas más altas y más prácticas. .
«Si normalizas nuestro gas de átomos a la densidad de electrones en un metal, creemos que este comportamiento de emparejamiento debería ocurrir muy por encima de la temperatura ambiente», ofrece Zwierlein. «Eso da mucha esperanza y confianza de que tales fenómenos de emparejamiento pueden ocurrir, en principio, a temperaturas elevadas, y no hay un límite a priori de por qué no debería haber un superconductor a temperatura ambiente algún día».
Esta investigación fue apoyada, en parte, por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU., la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de EE. UU. y la Beca de la Facultad Vannevar Bush.
