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Superconductividad desconocida con nuevos pares de Cooper

ciencia Superconductividad desconocida con nuevos pares de Cooper

Cómo el grafeno nos cambiará la vida: Konstantín Novosiólov, Premio Nobel de física (Junio 2019).

Anonim

La propiedad superconductora se explica por la aparición de pares de Cooper, electrones asociados con dos cuando la temperatura cae por debajo de un valor crítico. Los electrones tienen un espín 1/2 pero los investigadores han demostrado por primera vez que en una aleación YPtBi, estos electrones emparejados se comportan como si cada uno tuviese un giro de 3/2. Es inaudito.

Superconductividad: los secretos de la levitación cuántica Es difícil no dejarse fascinar por la superconductividad. Esta propiedad cuántica, que entre otras cosas, levita objetos, se encuentra hoy en el centro de una gran cantidad de investigación de vanguardia. Aquí hay una descripción general de video de las levitaciones cuánticas más hermosas.

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El fenómeno de la conducción eléctrica resultó ser mucho más complicado y variado de lo que podrían haber sospechado los pioneros de la electricidad como Coulomb, Franklin, Volta u Ohm. El primer modelo prometedor de físico de conducción de electrones, propuesto por Paul Drude en 1900, se basó en una analogía con la teoría cinética del gas. Sin embargo, este modelo no describe la conductividad de los metales porque proporciona valores que son demasiado bajos. Fue solo con el descubrimiento de los principios de la mecánica cuántica, y especialmente de la naturaleza ondulatoria del material, que físicos como Hans Bethe, Rudolph Peierls y algunos otros comenzaron a ver más claramente.

Finalmente, a fines de la década de 1920, el Premio Nobel de Física, Felix Bloch, obtuvo la primera clave de la física de los Estados Unidos utilizando las ondas de materia de Louis de Broglie para describir la propagación de electrones en una red cristalina. Los núcleos que ocupan los sitios allí generan un potencial electrostático efectivo, que varía periódicamente en el espacio. Ya sea en un metal o semiconductor, este potencial se puede aproximar mediante una serie de ranuras. Existen entonces soluciones particulares de la ecuación de Schröding que controla la propagación de ondas de electrones en este cristal. Explican por qué los electrones pueden moverse allí sin ser frenados rápidamente por colisiones con los núcleos. Estas soluciones describen las "ondas de Bloch".

Felix Bloch (1905-1983) fue un físico suizo. Él y Edward Mills Purcell compartieron el Premio Nobel de Física de 1952 por su trabajo sobre resonancia magnética nuclear (RMN). Se le atribuye el importante trabajo en física sólida con el descubrimiento de las ondas de Bloch. © Instituto de Ciencias Weizmann

Pares de Cooper, la clave de la superconductividad

Descubierta a principios del siglo XX, lasupraconductivité es un fenómeno muy extraño por el cual la resistencia eléctrica se cancela, en algunos materiales, por debajo de una temperatura crítica. Sin embargo, no fue sino hasta la década de 1950 que se desarrolló una primera teoría que explica este fenómeno, que también es cuántico, la teoría BCS (ver el artículo a continuación).

Supone que los electrones, junto con las espinillas, se combinan para dar pares de Cooper, clases de cuasipartículas, de acuerdo con la expresión consagrada, que se comportan como desbosones, es decir, partículas de giro completo.

Desde entonces, el campo de los materiales superconductores se ha ampliado, especialmente desde mediados de la década de 1980, con el descubrimiento de materiales superconductores de temperatura crítica para los que aún no existe una teoría. Sin embargo, sería esencial dibujar un superconductor a temperatura ambiente, un "unbtainium". Las consideraciones de una rama esotérica de las matemáticas, la topología, también han aparecido en este campo durante casi 50 años y han llevado a la concesión de un Premio Nobel.

Una presentación de superconductividad. © CEA Buscar

Un semimetal topológico superconductor

Un buen ejemplo de esta investigación es un descubrimiento reciente publicado en la revista Science Advances .Los autores trabajaron en un semimetal estudiado desde hace unos años, de tipo YPtBi, porque está compuesto por itrio, platino y bismuto. El material es un tipo de aleación de Heusler, presentando propiedades ferromagnéticas mientras está compuesto de elementos que no lo son. Se descubrió que era superconductor cerca del cero absoluto, mientras que no es un buen conductor en condiciones estándar, que es el caso de los superconductores convencionales, como el mercurio.

Los investigadores lo llaman un "semimetal topológico" y el equipo de físicos estadounidenses detrás de la publicación reciente ahora anuncia que ha descubierto un fenómeno que también fue pronosticado recientemente y parecía imposible en un estado sólido. Los electrones en las ondas de Bloch se comportarían como los electrones alrededor de un átomo, entonces con un momento cinético que es la composición del giro apropiado de cada electrón y un momento cinético orbital, como si girara alrededor de un núcleo ( es decir, 3/2). Excepto que en el presente caso, los electrones se mueven libremente en el superconductorexotic. Finalmente, los pares de Cooper parecen estar formados por electrones de Bloch que se comportan como si cada uno tuviese un giro de 3/2.

Para demostrar esto, los físicos han estudiado más de cerca un fenómeno asociado con superconductores inmersos en un campo magnético. Expulsan las líneas de este campo, es el efecto Meissner.

Finalmente, casi, en realidad, en una bola superconductora, por ejemplo, este campo penetra un poco por debajo de la superficie, pero su intensidad disminuye muy rápidamente, exponencialmente. Esto da como resultado un cambio mensurable en el campo magnético externo. Otra modificación fue predicha por la teoría de predicción de los electrones de Bloch de spin 3/2 (vinculada al hecho de que la disminución de la intensidad es lineal en el material) y es esto lo que los investigadores, varios de los cuales son del Universidad de Maryland (Estados Unidos), medido.

Acaba de abrir un campo de estudio completamente nuevo para superconductores exóticos con todos los nuevos pares de Cooper formados por electrones de Bloch, cuyos momentos cinéticos no son necesariamente de valor ½.

Lo que hay que recordar

  • Solo la teoría cuántica puede comprender realmente el fenómeno de la conducción eléctrica, pero todavía hay áreas de sombras en este fenómeno, especialmente en el campo de los materiales superconductores que han sido más diversos de lo esperado.
  • Sin embargo, la superconductividad resulta de la formación de pares de electrones superfluidos, aunque la formación de estos pares sigue siendo poco conocida en el caso de los superconductores exóticos.
  • Recientemente se ha descubierto un nuevo superconductor de este tipo, un semimetal topológico, como lo llaman los físicos.
  • Forma electrones en pares de Cooper que se comportan como electrones en un átomo con un momento cinético 3/2, nunca visto ni imaginado en un sólido hace poco tiempo.

Para saber más

Superconductividad: y aquí hay nuevos pares de Cooper

Artículo deLaurent Saccopublished el 12/08/2010

La superconductividad ordinaria está bien explicada por los pares de Cooper, de momento cinético nulo, formado a partir de dos electrones. Por primera vez, se han observado pares de Cooper de impulso cinético distinto de cero, tal vez abriendo el camino a nuevos dispositivos superconductores.

La superconductividad fue descubierta por el holandés Heike Kamerlingh Onnes en 1911. Pero este fenómeno paradójico, que permite que una corriente eléctrica fluya sin resistencia (y por lo tanto sin pérdidas) en ciertos materiales, realmente solo comenzó a entenderse con el trabajo de tres físicos: John Bardeen, Leon Cooper y John Robert Schrieffer. La teoría de BCS para superconductores convencionales, un acrónimo de los nombres de estos tres investigadores, se propuso en 1957 y recibirá el Premio Nobel de Física en 1972.

En esta teoría, la mecánica cuántica es un ingrediente esencial, tanto porque involucra aphonones acústicos como porque se basa en la famosa estadística de Bose-Einstein descubierta porSatyandra Nath Bose. A medida que se forman los bosones (conocidos como pares de Cooper), es posible que los electrones fluyan como un superfluido en la red cristalina de ciertos metales o aleaciones, como el niobio-titanio.

De izquierda a derecha, John Robert Schrieffer, John Bardeen y Leon Cooper, los autores de la teoría BCS. © Universidad de Illinois

Pares de electrones cuánticos

Leon Cooper entendió que en el caso de los superconductores convencionales, la interacción entre el gas de electrón libre en un metal y los fonones acústicos en su red cristalina permitía que se emparejaran dos electrones. Los electrones son fermiones, es decir partículas de momento semientero (giro) (más precisamente ½), y no pueden constituir un gas de bosón. Pero todo cambia si se asocian en parejas …

De hecho, la suma de los dos momentos cinéticos de los electrones tiene el valor 0 o 1 (según si los giros son paralelos o antiparalelos) y, por lo tanto, enteros característicos de los bosones. Más precisamente, hay dos estados cuánticos: el estado de singlete de momento cinético cero, con giros antiparalelos, y un estado de giro entero, llamado estado de triplete .

Hasta ahora, en las parejas de Cooper, solo se había observado el estado de singlete, pero algunos pensaban que también era posible que hubiera un estado de triplete.

Un grupo de investigadores de la Universidad de Santa Bárbara (EE. UU.), La Ruhr-Universität Bochum (RUB) y la Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) acaban de demostrar esta existencia en el caso de un cruce de Josephson (llamado así por el Premio Nobel Brian Josephson) muy especial, como se explica en un artículo reciente en Physical Review B.

Premio Nobel de física Brian Josephson. © GNU Free Documentation License, Wikipedia

Juntas Josephson con un material ferromagnético

Por lo general, una unión de Josephson, como la de los Calamares, es un sándwich de dos capas de materiales superconductores con una delgada porción de solista entre ellos. Los pares de Cooper solo pueden pasar de una capa a otra gracias a otro fenómeno cuántico: el efecto túnel.

Normalmente, si el aislamiento se reemplaza por un material ferromagnético, los pares de Cooper se destruyen. Más exactamente, los pares de Cooper ya no pueden existir en un estado singlete, a diferencia de los pares en un estado de triplete (de acuerdo con los cálculos teóricos), siempre que puedan formarse.

Si este es el caso, entonces debe observarse una corriente que fluye a través de una unión Josephson con un material ferromagnético adecuadamente preparado. Esto es exactamente lo que los investigadores obtuvieron con una aleación Heusler ferromagnética de fórmula Cu 2 MnAl. Mejor aún, la corriente obtenida fue incluso más intensa que en el caso de las uniones convencionales de Josephson.

Esto no es simplemente una confirmación de una predicción de la teoría de BCS. Las uniones de Josephson se utilizan no solo para medir campos magnéticos de conductos bajos, sino que también son prometedoras como una alternativa más efectiva al sensor de CCS en astronomía. Letélescope Herschelen está así equipado. El descubrimiento de investigadores podría conducir a una nueva generación de dispositivos.

Enlaces externos

Evidencia de triplete aleación Heusler Cu2MnAl superconductividad en uniones Josephson con barreras

Más allá del triplete: superconductividad no convencional en un semimetal topológico spin-3/2

Superconductores topológicos: una revisión

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