Los científicos ven grupos bidimensionales de electrones que aparecen en un material tridimensional superconductor

La formación de un material bidimensional, de solo unos pocos átomos de espesor, es a menudo un proceso laborioso que requiere un equipo sofisticado. Así que los científicos se sorprendieron al ver aparecer grupos 2D dentro de un superconductor 3D, un material que permite que los electrones viajen con una eficiencia del 100% y sin resistencia, sin ninguna inducción.

Dentro de esas piscinas, los electrones superconductores se comportaron como si estuvieran atrapados dentro de un plano muy delgado, parecido a una placa, una situación que de alguna manera requería que cruzaran a otra dimensión, donde se aplican diferentes reglas de la física cuántica.

«Este es un ejemplo desconcertante de comportamiento emergente, que a menudo es difícil o imposible de replicar tratando de diseñarlo desde cero», dijo Harry Manuharan, profesor de la Universidad de Stanford e investigador del Instituto de Ciencias de Materiales y Energía de Stanford (SIMES ). En el SLAC National Accelerator Laboratory del DOE, que dirigió la investigación.

Dijo: «Es como si cuando se les diera la capacidad de superconducir los electrones tridimensionales eligieran vivir en un mundo bidimensional».

El equipo de investigación llamó a este nuevo fenómeno «superconductividad interdimensional», y en un informe publicado en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias Hoy, proponen que así es como los superconductores 3D se reorganizan antes de sufrir una transformación repentina a un estado aislante, en el que los electrones están confinados a sus átomos originales y no pueden moverse en absoluto.

«Lo que encontramos fue un sistema en el que los electrones se comportan de maneras inesperadas. Esa es la belleza de la física», dijo Carolina Parra, investigadora postdoctoral en SLAC y Stanford en el momento del estudio que llevó a cabo los experimentos que llevaron a la visualización de este . Un resultado interesante. «Fuimos muy afortunados de encontrar este comportamiento».

Aunque la superconductividad se descubrió hace más de un siglo, su utilidad se vio limitada por el hecho de que los materiales se volvieron superconductores solo a temperaturas cercanas a las del espacio profundo.

Entonces, el anuncio en 1986 de que los científicos descubrieron una nueva e inesperada clase de materiales superconductores que operaban a temperaturas mucho más altas, aunque todavía estaban muy frías, llevó a un tsunami de investigación que ha continuado hasta el día de hoy, con el objetivo de descubrir cómo sucedió. Eso es nuevo. Los materiales operan y desarrollan versiones que operan más cerca de la temperatura ambiente para aplicaciones tales como líneas eléctricas totalmente eficientes y trenes maglev.

Este estudio comenzó con un superconductor de alta temperatura llamado BPBO por sus cuatro componentes atómicos: bario, plomo, bismuto y oxígeno. Fue sintetizado en el laboratorio del profesor de Stanford e investigador del SIMES Ian Fischer por Paula Giraldo Gallo, estudiante de doctorado en ese momento.

Los investigadores también los sometieron a pruebas de rutina, incluida la determinación de la temperatura de transición a la que cambiaban entre una fase superconductora y una fase aislante, como cambiar el agua en vapor o hielo, se dieron cuenta de que sus datos mostraban que los electrones se comportan como si quedaron atrapados en capas o líneas superfinas, bidimensionales dentro del material. Esto fue un enigma, porque BPBO es un superconductor tridimensional cuyos electrones suelen ser libres para moverse en cualquier dirección que desee.

Intrigado, el equipo de Manoharan echó un vistazo más de cerca utilizando un microscopio de túnel de barrido, o STM, un instrumento que puede identificar y mover átomos individuales en las pocas capas atómicas superiores de materia.

Descubrieron que las líneas no parecían tener nada que ver con la forma en que estaban organizados los átomos de la materia o con las pequeñas protuberancias y depresiones en su superficie.

«En cambio, las líneas eran capas en las que los electrones se comportaban como si estuvieran confinados a regiones bidimensionales del material en forma de piscina», dijo Parra. «La distancia entre las piscinas es lo suficientemente corta como para que los electrones puedan» verse «e interactuar entre sí de una manera que les permita moverse sin resistencia, que es el sello distintivo de la superconductividad».

Los charcos bidimensionales aparecieron cuando los científicos ajustaron cuidadosamente la temperatura y otras condiciones hacia el punto de transición donde el superconductor se convertiría en un aislante.

Sus observaciones coinciden estrechamente con la teoría de los «granos de electrones emergentes» en superconductores, que fue desarrollada por Nandini Trivedi de la Universidad Estatal de Ohio y sus colegas.

«Las predicciones que hicimos son inconsistentes con el modelo de superconductor estándar», dijo Trivedi. «Por lo general, cuanto más fuerte es el superconductor, más energía se necesita para romper el enlace entre pares de electrones superconductores, un factor que llamamos brecha de energía. Pero mi grupo esperaba que en este tipo particular de superconductor turbulento, ocurriera lo contrario: el sistema formaría grupos emergentes donde se encontraban. La superconductividad es fuerte, pero los pares se pueden romper con mucha menos energía de la esperada.

«¡Fue emocionante ver estas predicciones confirmadas por las mediciones STM del Stanford Group!»

Parra dijo que los resultados tienen implicaciones prácticas para la fabricación de materiales 2D.

«La mayoría de los métodos para fabricar materiales bidimensionales son enfoques de ingeniería, como el crecimiento de membranas de unas pocas capas atómicas de espesor o la creación de una interfaz nítida entre dos materiales y confinar un estado bidimensional allí», dijo. «Esto proporciona una forma adicional de alcanzar estos estados superconductores 2D. Son más baratos, no requieren equipos sofisticados que requieran temperaturas muy bajas y no toman días o semanas. La única parte difícil es conseguir la combinación de materiales correcta».

Barra ahora dirige un laboratorio en la Universidad Técnica Federico Santa María en Valparaí, Chile, que se enfoca en estudios interdisciplinarios de nanomateriales biológicos. Recientemente ganó una subvención para adquirir y operar el primer microscopio de barrido de túnel de baja temperatura en América del Sur, que planea utilizar para continuar este tipo de investigación.

«Cuando tenga este equipo en el laboratorio, lo conectaré a todas las cosas que aprendí en el laboratorio de Harry y lo usaré para enseñar a una nueva generación de investigadores que estaremos trabajando en nanociencia y nanotecnología en Chile», dijo.

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La investigación fue financiada por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía.

Cita: Carolina Parra et al., Procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias, 12 de abril de 2021 (10.1073 / pnas.201781011)

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