Seguimiento de la superconductividad no convencional
El equipo de investigación presenta al campeón de los pesos pesados
A temperaturas suficientemente bajas, ciertos metales pierden su resistencia eléctrica y conducen la electricidad sin pérdidas. Este efecto de la superconductividad se conoce desde hace más de cien años y se entiende bien en el caso de los llamados superconductores convencionales. Sin embargo, más recientes son los superconductores no convencionales, cuyo funcionamiento aún no está claro. Un equipo del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), junto con colegas de la institución francesa de investigación CEA (Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives), de la Universidad de Tohoku (Japón) y del Instituto Max Planck de Física Química de los Sólidos de Dresde, ha obtenido ahora nuevos conocimientos. Los investigadores publican sus hallazgos en la revista Nature Communications. Podrían explicar por qué un nuevo material sigue siendo superconductor incluso a campos magnéticos extremadamente altos, una propiedad de la que carecen los superconductores convencionales, con el potencial de permitir aplicaciones tecnológicas antes inconcebibles.
"El ditellururo de uranio, o UTE2 para abreviar, es un alto volante entre los materiales superconductores", dice el Dr. Toni Helm del Laboratorio de Altos Campos Magnéticos de Dresde (HLD) en HZDR. "Como se descubrió en 2019, el compuesto conduce la electricidad sin pérdidas, sin embargo, de una manera diferente a como lo hacen los superconductores convencionales". Desde entonces, grupos de investigación de todo el mundo se han interesado por el material. Entre ellos se encuentra el equipo de Helm, que ha dado un paso más hacia la comprensión del material.
"Para apreciar plenamente el revuelo que rodea al material, tenemos que examinar más de cerca la superconductividad", explica el físico. "Este fenómeno es el resultado del movimiento de los electrones en el material. Cuando chocan con los átomos, pierden energía en forma de calor. Esto se manifiesta como resistencia eléctrica. Los electrones pueden evitarlo organizándose en formaciones de pares, los llamados pares de Cooper". Esto ocurre cuando dos electrones se combinan a bajas temperaturas para moverse por un sólido sin fricción. Entonces aprovechan las vibraciones atómicas que les rodean como una especie de ola sobre la que pueden surfear sin perder energía. Estas vibraciones atómicas explican la superconductividad convencional.
"Desde hace algunos años, sin embargo, también se conocen superconductores en los que se forman pares de Cooper por efectos que aún no se comprenden del todo", afirma el físico. Una posible forma de superconductividad no convencional es la superconductividad de tripletes de espín. Se cree que aprovecha las fluctuaciones magnéticas. "También hay metales en los que los electrones de conducción se juntan colectivamente", explica Helm. "Juntos, pueden blindar el magnetismo del material, comportándose como una sola partícula con -para los electrones- una masa extremadamente alta". Estos materiales superconductores se conocen como superconductores de fermiones pesados. Por tanto, UTe2 podría ser a la vez un superconductor de triple espín y un superconductor de fermiones pesados, como sugieren los experimentos actuales. Además, es el campeón mundial de los pesos pesados: Hasta la fecha, no se conoce ningún otro superconductor de fermiones pesados que siga siendo superconductor a campos magnéticos similares o superiores. El presente estudio también lo confirma.
Extremadamente resistente a los campos magnéticos
La superconductividad depende de dos factores: la temperatura crítica de transición y el campo magnético crítico. Si la temperatura desciende por debajo de la temperatura crítica de transición, la resistencia cae a cero y el material se convierte en superconductor. Los campos magnéticos externos también influyen en la superconductividad. Si éstos superan un valor crítico, el efecto se desploma. "Los físicos tienen una regla empírica para esto", informa Helm: "En muchos superconductores convencionales, el valor de la temperatura de transición en Kelvin es aproximadamente una o dos veces el valor de la intensidad crítica del campo magnético en tesla. En los superconductores de tripletes de espín, esta relación suele ser mucho mayor". Con sus estudios sobre el superconductor UTe2, los investigadores han podido subir aún más el listón: A una temperatura de transición de 1,6 kelvin (-271,55 °C), la intensidad crítica del campo magnético alcanza los 73 tesla, lo que sitúa la relación en 45, todo un récord.
"Hasta ahora, los superconductores de fermiones pesados tenían poco interés para aplicaciones técnicas", explica el físico. "Tienen una temperatura de transición muy baja y el esfuerzo necesario para enfriarlos es comparativamente alto". Sin embargo, su insensibilidad a los campos magnéticos externos podría compensar esta carencia. Esto se debe a que el transporte de corriente sin pérdidas se utiliza principalmente hoy en día en imanes superconductores, por ejemplo en escáneres de resonancia magnética (IRM). Sin embargo, los campos magnéticos también influyen en el propio superconductor. Un material capaz de soportar campos magnéticos muy elevados y seguir conduciendo la electricidad sin pérdidas representaría un gran paso adelante.
Tratamiento especial para un material exigente
"Por supuesto, UTe2 no puede utilizarse para fabricar conductores para un electroimán superconductor", explica Helm. "En primer lugar, las propiedades del material lo hacen inadecuado para este empeño y, en segundo lugar, es radiactivo. Pero es perfectamente adecuado para explorar la física que subyace a la superconductividad de triple espín". Basándose en sus experimentos, los investigadores desarrollaron un modelo que podría servir para explicar la superconductividad con una estabilidad extremadamente alta frente a los campos magnéticos. Para ello, trabajaron con muestras de unos pocos micrómetros de grosor, sólo una fracción del grosor de un cabello humano (aproximadamente 70 micrómetros). La radiación radiactiva emitida por las muestras, por tanto, sigue siendo muy inferior a la del fondo natural.
Para obtener y dar forma a una muestra tan diminuta, Helm utilizó como herramienta de corte un haz de iones de alta precisión con un diámetro de apenas unos nanómetros. El UTE2 es un material sensible al aire. En consecuencia, Helm lleva a cabo la preparación de las muestras en vacío y las sella después en pegamento epoxídico. "Para la prueba definitiva de que nuestro material es un superconductor de triple espín, tendríamos que examinarlo espectroscópicamente mientras se expone a campos magnéticos intensos. Sin embargo, los métodos espectroscópicos actuales siguen teniendo dificultades con campos magnéticos superiores a 40 tesla. Junto con otros equipos, también estamos trabajando en el desarrollo de nuevas técnicas. Con el tiempo, esto nos permitirá aportar pruebas definitivas", afirma Helm con confianza.
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.
Publicación original
Toni Helm, Motoi Kimata, Kenta Sudo, Atsuhiko Miyata, Julia Stirnat, Tobias Förster, Jacob Hornung, Markus König, Ilya Sheikin, Alexandre Pourret, Gerard Lapertot, Dai Aoki, Georg Knebel, Joachim Wosnitza, Jean-Pascal Brison; "Field-induced compensation of magnetic exchange as the possible origin of reentrant superconductivity in UTe2"; Nature Communications, Volume 15, 2024-1-2
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