El misterio de la superconductividad a alta temperatura finalmente ha sido resuelto

Cuando los electrones se unen, los trucos cuánticos adicionales hacen que la superconductividad sea inevitable. Normalmente, los electrones no pueden superponerse, pero los pares de Cooper siguen una regla mecánica cuántica diferente; actúan como partículas de luz, cualquier cantidad de las cuales puede acumularse en la cabeza de un alfiler. Muchos pares de Cooper se unen y se fusionan en un solo estado mecánico cuántico, un "superfluido" al que no le importan los átomos entre los que pasa.

La teoría BCS también explica por qué el mercurio y la mayoría de los demás elementos metálicos son superconductores cuando se enfrían cerca del cero absoluto, pero dejan de hacerlo por encima de unos pocos kelvin. Las ondas atómicas crean el pegamento más débil. Sube el calor y sacude los átomos y elimina las vibraciones de la red.

Luego, en 1986, los investigadores de IBM Georg Bednorz y Alex Müller se toparon con un pegamento electrónico más fuerte en los cupratos: cristales que consisten en láminas de cobre y oxígeno intercaladas entre capas de otros elementos. cuprato observado superconductores a 30 kelvin, los investigadores pronto encontraron otros que eran superconductores más de 100y luego arriba 130 Kelvin.

El avance desencadenó un esfuerzo generalizado para comprender el pegamento más duro responsable de esta superconductividad de "alta temperatura". Quizás los electrones se juntaron para crear concentraciones de carga desiguales, similares a ondas, en una dirección particular, como un imán de tamaño cuántico.

El difunto Philip Anderson, premio Nobel estadounidense y leyenda universal de la física de la materia condensada, expuso teoría solo unos meses después del descubrimiento de la superconductividad a alta temperatura. En el corazón del pegamento, afirma, se encuentra un fenómeno cuántico descrito anteriormente llamado superintercambio, una fuerza que surge de la capacidad de los electrones para saltar. Cada momento se vuelve incierto hasta que su impulso se vuelve exactamente Un impulso más agudo puede ser un impulso más bajo y, por lo tanto, un estado de energía más bajo que las partículas buscan naturalmente.

El resultado es que los electrones buscan situaciones donde puedan saltar. Un electrón prefiere apuntar hacia abajo cuando su vecino apunta hacia arriba, por ejemplo, porque esta distinción permite que los dos electrones salten entre los mismos átomos. de espines de electrones en algunos materiales. También induce a los electrones a permanecer separados a cierta distancia (demasiado lejos y no pueden saltar). Anderson cree que esta atracción efectiva puede formar fuertes pares de Cooper.

Los experimentadores han luchado durante mucho tiempo para probar teorías como la de Anderson porque las propiedades materiales que podían medir, como la reflectividad o la resistividad, ofrecían solo resúmenes aproximados del comportamiento colectivo de billones de electrones, no pares.

"Ninguna de las técnicas tradicionales de la física de la materia condensada fue diseñada para resolver un problema como este", dijo Davis.

Super-Experimento

Davies, un físico irlandés con laboratorios en Oxford, Cornell University, University College Cork y Max Planck International Research School for Chemistry and Physics of Quantum Materials en Dresden, desarrolló gradualmente herramientas para estudiar los cupratos a nivel atómico. Experimentos anteriores midieron la fuerza de superconductividad de un material enfriándolo hasta que alcanza la temperatura crítica en la que comienza la superconductividad, donde las temperaturas más altas indican un pegamento más fuerte.Pero durante la última década, el grupo de Davis perfeccionó una forma de enhebrar el pegamento alrededor de átomos individuales.

Modificaron una técnica establecida llamada microscopía de túnel de barrido, que desliza una aguja a través de una superficie, midiendo la corriente de electrones que saltan entre los dos. Al cambiar la punta de metal normal de la aguja por una punta superconductora, Curras calcula la velocidad de los pares de electrones en lugar de la de los individuos. . Esto les permitió mapear la densidad de los pares de Cooper que rodean a cada átomo, una medida directa de la superconductividad. Publicaron la primera imagen de enjambres de pares de cobre en Naturaleza en 2016