Un estudio revela que los superconductores de níquel son intrínsecamente magnéticos
Las ondas de excitación magnética recorren este nuevo y emocionante material, ya sea en modo superconductor o no
Los electrones se repelen entre sí. No es nada personal, simplemente sus cargas negativas se repelen. Por eso, conseguir que se emparejen y viajen juntos, como ocurre en los materiales superconductores, requiere un pequeño empujón.
Un muón, en el centro, gira como una peonza dentro de la red atómica de una fina película de níquel superconductor. Estas partículas elementales pueden percibir el campo magnético creado por los espines de los electrones hasta una milmillonésima parte de un metro de distancia. Al incrustar muones en cuatro compuestos de níquelato en el Instituto Paul Scherrer de Suiza, los investigadores de SLAC y Stanford descubrieron que los níquelatos que probaron albergan excitaciones magnéticas tanto si están en sus estados superconductores como si no, lo que supone otra pista en la larga búsqueda para entender cómo los superconductores no convencionales pueden conducir la corriente eléctrica sin pérdidas.
Jennifer Fowlie/SLAC National Accelerator Laboratory
En los superconductores de la vieja escuela, que se descubrieron en 1911 y conducen la corriente eléctrica sin resistencia, pero sólo a temperaturas extremadamente frías, el empujón proviene de las vibraciones de la red atómica del material.
Pero en los nuevos superconductores "no convencionales" -que son especialmente interesantes por su potencial para funcionar a temperaturas cercanas a la ambiente para cosas como la transmisión de energía sin pérdidas- nadie sabe con certeza qué es el empuje, aunque los investigadores piensan que podría tratarse de franjas de carga eléctrica, ondas de espines de electrones que se mueven de un lado a otro y crean excitaciones magnéticas, o alguna combinación de cosas.
Con la esperanza de aprender más mirando el problema desde un ángulo ligeramente diferente, los investigadores de la Universidad de Stanford y del Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC del Departamento de Energía sintetizaron otra familia de superconductores no convencionales: los óxidos de níquel, o niquelatos. Desde entonces, han pasado tres años investigando las propiedades de los niquelatos y comparándolas con las de uno de los superconductores no convencionales más famosos, los óxidos de cobre o cupratos.
Y en un artículo publicado hoy en Nature Physics, el equipo informa de una diferencia significativa: A diferencia de los cupratos, los campos magnéticos en los níquelatos están siempre encendidos.
El magnetismo: ¿Amigo o enemigo?
Según los científicos, los níquelatos son intrínsecamente magnéticos, como si cada átomo de níquel tuviera un pequeño imán. Esto es así tanto si el níquelato está en su estado no superconductor, o normal, como en un estado superconductor en el que los electrones se han emparejado y han formado una especie de sopa cuántica que puede albergar fases de materia cuántica entrelazadas. Los cupratos, en cambio, no son magnéticos en su estado superconductor
"Este estudio analizó las propiedades fundamentales de los níquelatos en comparación con los cupratos, y lo que eso puede decirnos sobre los superconductores no convencionales en general", dijo Jennifer Fowlie, investigadora postdoctoral del Instituto de Ciencias de los Materiales y la Energía (SIMES) del SLAC que dirigió los experimentos.
Algunos investigadores creen que el magnetismo y la superconductividad compiten entre sí en este tipo de sistemas, dijo; otros piensan que no se puede tener superconductividad a menos que el magnetismo esté cerca.
"Si bien nuestros resultados no resuelven esta cuestión, sí ponen de relieve los aspectos en los que probablemente habría que seguir trabajando", dijo Fowlie. "Y suponen la primera vez que se examina el magnetismo tanto en el estado superconductor como en el normal de los níquelatos".
Harold Hwang, profesor de SLAC y Stanford y director de SIMES, dijo: "Esta es otra pieza importante del rompecabezas que la comunidad de investigadores está armando mientras trabajamos para enmarcar las propiedades y los fenómenos en el corazón de estos emocionantes materiales."
Entra el muón
Pocas cosas son fáciles en este campo de investigación, y el estudio de los níquelatos ha sido más difícil que la mayoría.
Aunque los teóricos predijeron hace más de 20 años que su similitud química con los cupratos hacía probable que pudieran albergar superconductividad, los niquelatos son tan difíciles de fabricar que el equipo de SLAC y Stanford tardó años en conseguirlo.
Incluso entonces, sólo pudieron fabricar películas finas del material, no los trozos más gruesos necesarios para explorar sus propiedades con las técnicas habituales. Varios grupos de investigación de todo el mundo han estado trabajando en formas más sencillas de sintetizar níquelatos en cualquier forma, dijo Hwang.
Así que el equipo de investigación recurrió a un método más exótico, llamado rotación/relajación de espín de muones de baja energía, que puede medir las propiedades magnéticas de las películas finas y que sólo está disponible en el Instituto Paul Scherrer (PSI) de Suiza.
Los muones son partículas cargadas fundamentales similares a los electrones, pero 207 veces más masivas. Permanecen sólo 2,2 millonésimas de segundo antes de desintegrarse. Los muones con carga positiva, que suelen ser los preferidos para experimentos como éste, se descomponen en un positrón, un neutrino y un antineutrino. Al igual que sus primos los electrones, giran como peonzas y cambian la dirección de su giro en respuesta a los campos magnéticos. Pero sólo pueden "sentir" esos campos en su entorno inmediato, hasta un nanómetro, o una milmillonésima parte de un metro, de distancia.
En el PSI, los científicos utilizan un haz de muones para incrustar las pequeñas partículas en el material que quieren estudiar. Cuando los muones decaen, los positrones que producen salen volando en la dirección en la que gira el muón. Al rastrear los positrones hasta su origen, los investigadores pueden ver en qué dirección apuntaban los muones cuando se desvanecieron y determinar así las propiedades magnéticas generales del material.
Encontrar una solución
El equipo del SLAC solicitó realizar experimentos con el sistema PSI en 2020, pero entonces la pandemia hizo imposible viajar dentro o fuera de Suiza. Afortunadamente, Fowlie era un postdoctorado en la Universidad de Ginebra en ese momento y ya estaba planeando venir a SLAC para trabajar en el grupo de Hwang. Así que empezó la primera ronda de experimentos en Suiza con un equipo dirigido por Andreas Suter, científico senior del PSI y experto en extraer información sobre la superconductividad y el magnetismo a partir de los datos de desintegración de muones.
Tras llegar al SLAC en mayo de 2021, Fowlie comenzó inmediatamente a fabricar varios tipos de compuestos de níquel que el equipo quería probar en su segunda ronda de experimentos. Cuando terminaron las restricciones de viaje, el equipo pudo finalmente volver a Suiza para terminar el estudio.
La exclusiva configuración experimental del PSI permite a los científicos incrustar muones a una profundidad precisa en los materiales de níquelato. De este modo, pudieron determinar lo que ocurría en cada capa superfina de varios compuestos de níquelato con composiciones químicas ligeramente diferentes. Descubrieron que sólo las capas que contenían átomos de níquel eran magnéticas.
El interés por los níquelatos es muy grande en todo el mundo, dijo Hwang. Media docena de grupos de investigación han publicado sus propias formas de sintetizar los niquelatos y están trabajando en la mejora de la calidad de las muestras que estudian, y un gran número de teóricos están tratando de aportar ideas para guiar la investigación en direcciones productivas.
"Estamos tratando de hacer lo que podemos con los recursos que tenemos como comunidad investigadora", dijo, "pero todavía hay mucho más que podemos aprender y hacer".
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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