Durante el siglo transcurrido desde su descubrimiento, los superconductores y sus misteriosas propiedades atómicas han dejado atónitos a los investigadores. Estos materiales especiales permiten que la electricidad fluya a través de ellos sin ninguna pérdida de energía. Incluso permiten que los trenes leviten.
Pero los superconductores normalmente sólo funcionan a temperaturas extremadamente frías. Cuando estos materiales se calientan, se convierten en conductores comunes, que permiten el flujo de electricidad pero con cierta pérdida de energía, o en aislantes, que no conducen electricidad en absoluto.
Los investigadores han trabajado arduamente para encontrar materiales superconductores que puedan realizar su magia a temperaturas más altas, tal vez incluso a temperatura ambiente algún día. Encontrar o construir un material de este tipo podría cambiar la tecnología moderna, desde las computadoras y los teléfonos celulares hasta la red eléctrica y el transporte. Además, el estado cuántico único de los superconductores también los convierte en excelentes componentes básicos para las computadoras cuánticas.
Ahora, los investigadores han observado que una característica necesaria de un superconductor, llamada apareamiento de electrones, ocurre a temperaturas mucho más altas de lo que se creía anteriormente, y en un material en el que uno menos lo espera: un aislante antiferromagnético. Aunque el material no tenía resistencia cero, este hallazgo sugiere que los investigadores podrían encontrar formas de diseñar materiales similares para convertirlos en superconductores que funcionen a temperaturas más altas. El equipo de investigación del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC, la Universidad de Stanford y otras instituciones publicaron sus resultados el 15 de agosto en Ciencia.
«Los pares de electrones nos indican que están listos para convertirse en superconductores, pero algo los detiene», dijo Ke-Jun Xu, estudiante de posgrado en física aplicada de Stanford y coautor del artículo. «Si podemos encontrar un nuevo método para sincronizar los pares, podríamos aplicarlo a la posible construcción de superconductores de mayor temperatura».
Electrones desincronizados
En los últimos 100 años, los investigadores han aprendido mucho sobre cómo funcionan exactamente los superconductores. Sabemos, por ejemplo, que para que un material sea superconductor, los electrones deben formar pares y estos pares deben ser coherentes, es decir, sus movimientos deben estar sincronizados. Si los electrones están emparejados pero no son coherentes, el material podría terminar siendo un aislante.
En los superconductores, los electrones se comportan como dos personas reticentes en una fiesta de baile. Al principio, ninguna de las dos quiere bailar con la otra, pero entonces el DJ pone una canción que a ambas les gusta, lo que les permite relajarse. Se dan cuenta de que a la otra le gusta la canción y se sienten atraídos desde lejos: se han emparejado, pero aún no se han vuelto coherentes.
Entonces el DJ toca una nueva canción, una que a ambos les encanta. De repente, los dos se juntan y empiezan a bailar. Pronto todos los presentes en la fiesta siguen su ejemplo: se juntan y empiezan a bailar al ritmo de la misma nueva melodía. En ese momento, la fiesta se vuelve coherente; está en un estado superconductor.
En el nuevo estudio, los investigadores observaron electrones en una etapa intermedia, donde los electrones se habían fijado en los ojos, pero no se levantaban para bailar.
Los cupratos se comportan de forma extraña
Poco después de que se descubrieran los superconductores, los investigadores descubrieron que lo que hacía que los electrones se emparejaran y bailaran eran las vibraciones en el propio material subyacente. Este tipo de emparejamiento de electrones ocurre en una clase de materiales conocidos como superconductores convencionales, que son bien conocidos, dijo Zhi-Xun Shen, profesor de Stanford e investigador del Instituto de Materiales y Ciencias de la Energía de Stanford (SIMES) en SLAC, quien supervisó la investigación. Los superconductores convencionales funcionan a temperaturas típicamente cercanas al cero absoluto, por debajo de los 25 Kelvin, a presión ambiental.
Los superconductores no convencionales, como el óxido de cobre o cuprato, del estudio actual, funcionan a temperaturas significativamente más altas, a veces hasta 130 Kelvin. En los cupratos, se cree ampliamente que algo más allá de las vibraciones reticulares ayuda a emparejar los electrones. Aunque los investigadores no están seguros exactamente de qué hay detrás, el candidato principal son los espines fluctuantes de los electrones, que hacen que los electrones se emparejen y bailen con un momento angular mayor. Este fenómeno se conoce como canal de onda, y los primeros indicios de este novedoso estado se vieron en un experimento en SSRL hace aproximadamente tres décadas. Comprender qué impulsa el emparejamiento de electrones en los cupratos podría ayudar a diseñar superconductores que funcionen a temperaturas más altas.
En este proyecto, los científicos eligieron una familia de cupratos que no había sido estudiada en profundidad porque su temperatura máxima de superconducción era relativamente baja (25 Kelvin) en comparación con otros cupratos. Peor aún, la mayoría de los miembros de esta familia son buenos aislantes. Para ver los detalles atómicos del cuprato, los investigadores proyectaron luz ultravioleta sobre muestras de material, que expulsan electrones del material. Cuando los electrones están ligados, son ligeramente más resistentes a ser expulsados, lo que da como resultado una «brecha de energía». Esta brecha de energía persiste hasta los 150 Kelvin, lo que sugiere que los electrones se aparean a temperaturas mucho más altas que el estado de resistencia cero de aproximadamente 25 Kelvin. El hallazgo más inusual de este estudio es que el apareamiento es más fuerte en las muestras más aislantes.
El cuprato estudiado podría no ser el material que alcanza la superconductividad a temperatura ambiente, alrededor de 300 Kelvin, dijo Shen. «Pero tal vez en otra familia de materiales superconductores, podamos usar este conocimiento para obtener pistas que nos permitan acercarnos a la temperatura ambiente», dijo.
«Nuestros hallazgos abren un camino nuevo y potencialmente enriquecedor», afirmó Shen. «Planeamos estudiar esta brecha de emparejamiento en el futuro para ayudar a diseñar superconductores utilizando nuevos métodos. Por un lado, planeamos utilizar enfoques experimentales similares en SSRL para obtener más información sobre este estado de emparejamiento incoherente. Por otro lado, queremos encontrar formas de manipular estos materiales para tal vez obligar a estos pares incoherentes a sincronizarse».
Este proyecto fue financiado en parte por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía. SSRL es una herramienta para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía.
