Avances dramáticos en computación cuántica, teléfonos inteligentes que solo necesitan cargarse una vez al mes, trenes que levitan y se mueven a velocidades superrápidas. Avances tecnológicos como estos podrían revolucionar la sociedad, pero seguirán estando en gran medida fuera de alcance mientras la superconductividad, el flujo de electricidad sin resistencia ni desperdicio de energía, no se entienda por completo.
Una de las principales limitaciones para las aplicaciones del mundo real de esta tecnología es que los materiales que hacen posible la superconducción generalmente deben estar a temperaturas extremadamente frías para alcanzar ese nivel de eficiencia eléctrica. Para sortear este límite, los investigadores deben crear una imagen clara de cómo se ven los diferentes materiales superconductores a escala atómica a medida que pasan por diferentes estados de la materia para convertirse en superconductores.
Los académicos en un laboratorio de la Universidad de Brown, trabajando con un equipo internacional de científicos, se han acercado un poco más a descifrar este misterio para una familia recientemente descubierta de metales Kagome superconductores. En un nuevo estudio, utilizaron una nueva estrategia innovadora que combina imágenes de resonancia magnética nuclear y una teoría de modelado cuántico para describir la estructura microscópica de este superconductor a 103 grados Kelvin, lo que equivale a unos 275 grados por debajo de 0 grados Fahrenheit.
Los investigadores describieron las propiedades de este extraño estado de la materia por lo que se cree que es la primera vez en Investigación de revisión física. En última instancia, los hallazgos representan un nuevo logro en una marcha constante hacia los superconductores que operan a temperaturas más altas. Los superconductores que pueden operar a temperatura ambiente (o cerca de ella) se consideran el santo grial de la física de la materia condensada debido a las tremendas oportunidades tecnológicas que abrirían en eficiencia energética, incluida la transmisión de electricidad, el transporte y la computación cuántica.
«Si alguna vez vas a diseñar algo y hacerlo comercial, necesitas saber cómo controlarlo», dijo la profesora de física de Brown, Vesna Mitrović, quien dirige un grupo de RMN de materia condensada en la Universidad y es coautora del estudio. nuevo estudio «¿Cómo lo describimos? ¿Cómo lo modificamos para obtener lo que queremos? Bueno, el primer paso es saber cuáles son los estados microscópicamente. Debe comenzar a construir una imagen completa de eso. «
El nuevo estudio se centra en el superconductor RbV3Sb5, que está hecho de los metales rubidio, vanadio y antimonio. El material recibe su nombre debido a su peculiar estructura atómica, que se asemeja a un patrón de tejido de cesta que presenta triángulos interconectados en forma de estrella. Los materiales de Kagome fascinan a los investigadores debido a la comprensión que brindan de los fenómenos cuánticos, uniendo dos de los campos más fundamentales de la física: la física cuántica topológica y la física de la materia condensada.
Trabajos previos de diferentes grupos establecieron que este material pasa por una cascada de diferentes transiciones de fase cuando baja la temperatura, formando diferentes estados de la materia con diferentes propiedades exóticas. Cuando este material alcanza los 103 grados Kelvin, la estructura de la red cambia y el material exhibe lo que se conoce como onda de densidad de carga, donde la densidad de carga eléctrica sube y baja. Comprender estos saltos es importante para el desarrollo de teorías que describan el comportamiento de los electrones en materiales cuánticos como los superconductores.
Lo que no se había visto antes en este tipo de metal Kagome era cómo se veía la estructura física de esta red y orden de carga a la temperatura que estaban observando los investigadores, que es el estado de temperatura más alta donde el metal comienza a hacer la transición entre diferentes estados de la materia. .
Usando una nueva estrategia que combina mediciones de RMN y una teoría de modelado conocida como teoría funcional de la densidad que se usa para simular la estructura eléctrica y la posición de los átomos, el equipo pudo describir la nueva estructura en la que cambia la red y su onda de densidad de carga.
Demostraron que la estructura se mueve de un patrón de 2x2x1 con un patrón característico de la estrella de David a un patrón de 2x2x2. Esto sucede porque la red de Kagome se invierte sobre sí misma cuando la temperatura se vuelve extremadamente fría. La nueva red a la que hace la transición se compone en gran parte de hexágonos y triángulos separados, mostraron los investigadores. También mostraron cómo se conecta este patrón cuando toman un plano de la estructura RbV3Sb5 y lo rotan, «observándolo» desde un ángulo diferente.
«Es como si esta Kagome ahora se convirtiera en estas cosas complicadas que se dividen en dos», ¿Mitrovi? dicho. «Estira la red para que Kagome se convierta en esta combinación de hexágonos y triángulos en un plano y luego en el siguiente plano, después de girarlo medio círculo, se repite».
Sondear esta estructura atómica es un paso necesario para proporcionar un retrato completo de los estados exóticos de la materia en los que se produce la transición de este material superconductor, dijeron los investigadores. Creen que los hallazgos conducirán a una mayor indagación sobre si esta formación y sus propiedades pueden ayudar a la superconductividad o si es algo que debería suprimirse para fabricar mejores superconductores. La nueva técnica única que utilizaron también permitirá a los investigadores responder a un nuevo conjunto de preguntas.
«Sabemos qué es esto ahora y nuestro próximo trabajo es descubrir cuál es la relación con otras fases extrañas a baja temperatura: ¿ayuda, compite, podemos controlarlo, podemos hacer que suceda a temperaturas más altas? si es útil?» ¿Mitrovi? dicho. «Luego, seguimos bajando la temperatura y aprendiendo más».
La investigación experimental fue dirigida por Jonathan Frassineti, un estudiante graduado conjunto entre Brown y la Universidad de Bolonia, Pietro Bonfà de la Universidad de Parma y dos estudiantes de Brown: Erick García y Rong Cong. El trabajo teórico estuvo a cargo de Bonfà mientras que todos los materiales se sintetizaron en la Universidad de California Santa Bárbara. Esta investigación contó con fondos de la Fundación Nacional de Ciencias.
