Extrañas 'singularidades' responsables de un tipo exótico de superconductividad

Los superconductores que funcionan a temperaturas mucho más altas que el cero absoluto han desconcertado a los científicos desde que fueron descubiertos. Una nueva teoría podría estar a punto de cambiar eso.

Los físicos han descubierto un misterioso mecanismo responsable de la superconductividad a altas temperaturas y podría ayudar en la búsqueda de uno de los "santos griales" de la física.

El nuevo hallazgo, conocido como superconductividad oscilante, identifica un proceso que permite que los materiales se superconduzcan a temperaturas mucho más altas de lo normal, allanando el camino para el descubrimiento de materiales superconductores a temperatura ambiente que podrían facilitar la transmisión de energía casi sin pérdidas. Los investigadores publicaron sus hallazgos el 11 de julio en la revista Physical Review Letters.

"Uno de los santos griales de la física es la superconductividad a temperatura ambiente, que es lo suficientemente práctica para aplicaciones de la vida cotidiana", dijo en un comunicado Luiz Santos, profesor asistente de física en la Universidad Emory. "Ese avance podría cambiar la forma de la civilización".

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La superconductividad surge de las ondulaciones causadas por los electrones cuando se mueven a través de un material. A temperaturas suficientemente bajas, estas ondas hacen que los núcleos atómicos se atraigan entre sí, lo que a su vez provoca un ligero desplazamiento de carga que atrae un segundo electrón hacia el primero.

La fuerza de esta atracción hace que suceda algo extraño: en lugar de repelerse entre sí mediante la fuerza de repulsión electrostática, los electrones se unen formando un "par de Cooper".

Los pares de Cooper siguen reglas de la mecánica cuántica diferentes a las de los electrones solitarios. En lugar de apilarse unos sobre otros para formar capas de energía, actúan como partículas de luz, de las cuales un número infinito puede ocupar el mismo punto en el espacio al mismo tiempo. Si se crean suficientes pares de Cooper en todo un material, se convierten en un superfluido que fluye sin ninguna pérdida de energía debido a la resistividad eléctrica.

Los primeros superconductores, descubiertos por la física holandesa Heike Kamerlingh Onnes en 1911, pasaron a este estado de resistividad eléctrica cero a temperaturas inimaginablemente frías, cercanas al cero absoluto (menos 459,67 grados Fahrenheit o menos 273,15 grados Celsius). Sin embargo, en 1986, los físicos encontraron otro tipo de material, llamado cuprato, que se convierte en superconductor a temperaturas mucho más cálidas (pero aún muy frías) -211 F (-135 C).

Los físicos esperaban que este descubrimiento condujera al descubrimiento de superconductores a temperatura ambiente, lo que abriría la puerta a la transmisión de electricidad casi sin pérdidas. Sin embargo, los descubrimientos se agotaron y las recientes afirmaciones sobre superconductores a temperatura ambiente terminaron en escándalo y decepción.

Hasta ahora, el fracaso en encontrar superconductores a temperatura ambiente y presión ambiente se debe en parte a una falta de comprensión entre los físicos de las condiciones teóricas que permiten a los electrones formar pares de Cooper a temperaturas relativamente altas (aproximadamente tres veces más bajas que las de un congelador estándar). temperatura).

Para investigar esto, los investigadores detrás del nuevo estudio se centraron en una forma particular de superconductividad de alta temperatura que surge cuando los pares de Cooper se organizan en patrones oscilantes conocidos como ondas de densidad de carga. La relación entre las ondas, una especie de danza sincronizada de masa entre pares de electrones a través de un material, tiene una conexión compleja con la superconductividad: en algunas circunstancias, las ondas ahogan el efecto, mientras que en otras ayudan a unir los electrones.

Al modelar estas ondas, los físicos descubrieron que la clave para su aparición era probablemente una propiedad conocida como singularidad de Van Hove. Por lo general, en física, la energía de una partícula en movimiento está, de manera bastante intuitiva, relacionada con la velocidad a la que viaja.

Pero algunas estructuras materiales rompen esta regla, permitiendo que electrones con diferentes velocidades existan con las mismas energías. Cuando todas las energías de los electrones son iguales, pueden interactuar y emparejarse para formar parejas de Cooper danzantes más fácilmente.

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"Descubrimos que las estructuras conocidas como singularidades de Van Hove pueden producir estados de superconductividad modulantes y oscilantes", dijo Santos. "Nuestro trabajo proporciona un nuevo marco teórico para comprender el surgimiento de este comportamiento, un fenómeno que no se comprende bien".

Los físicos subrayaron que, hasta ahora, su trabajo es puramente teórico, lo que significa que se necesitarán más esfuerzos experimentales para desarrollar el mecanismo subyacente. Sin embargo, esperan que al establecer una base entre las singularidades de Van Hove y las ondas danzantes, hayan encontrado una conexión que otros físicos puedan aprovechar.

"Dudo que Kamerlingh Onnes estuviera pensando en levitación o aceleradores de partículas cuando descubrió la superconductividad", dijo Santos. "Pero todo lo que aprendemos sobre el mundo tiene aplicaciones potenciales".

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Ben Turner es redactor de Live Science con sede en el Reino Unido. Cubre física y astronomía, entre otros temas como animales extraños y cambio climático. Se graduó en la University College London con una licenciatura en física de partículas antes de formarse como periodista. Cuando no está escribiendo, a Ben le gusta leer literatura, tocar la guitarra y avergonzarse jugando al ajedrez.

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