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Tecnología

Los investigadores identifican un nuevo tipo de superconductor


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Ahora, los investigadores de Cornell, dirigidos por Brad Ramshaw, profesor asistente de Dick & Dale Reis Johnson en la Facultad de Artes y Ciencias, han descubierto un posible tercer tipo: onda g.

Su artículo, “Evidencia termodinámica para un parámetro de orden superconductor de dos componentes en Sr 2 RuO 4 “, publicado el 21 de septiembre en Nature Physics . El autor principal es el estudiante de doctorado Sayak Ghosh, MS ’19.

Los electrones de los superconductores se mueven juntos en lo que se conoce como pares de Cooper. Este “emparejamiento” otorga a los superconductores su propiedad más famosa, la ausencia de resistencia eléctrica, porque, para generar resistencia, los pares de Cooper deben separarse, y esto requiere energía.

En los superconductores de ondas S, generalmente materiales convencionales , como plomo, estaño y mercurio, los pares de Cooper están formados por un electrón apuntando hacia arriba y el otro apuntando hacia abajo, ambos moviéndose frontalmente uno hacia el otro, sin momento angular neto. En las últimas décadas, una nueva clase de materiales exóticos ha exhibido lo que se llama superconductividad de onda d, por lo que los pares de Cooper tienen dos cuantos de momento angular.

Los físicos han teorizado la existencia de un tercer tipo de superconductor entre estos dos estados denominados “singlete”: un superconductor de onda p, con un cuanto de momento angular y los electrones emparejados con espines paralelos en lugar de antiparalelos. Este superconductor de triplete de espines sería un gran avance para la computación cuántica porque puede usarse para crear fermiones de Majorana, una partícula única que es su propia antipartícula.

Durante más de 20 años, uno de los principales candidatos para un superconductor de onda p ha sido el rutenato de estroncio (Sr2RuO4), aunque investigaciones recientes han comenzado a hacer agujeros en la idea.

Ramshaw y su equipo se propusieron determinar de una vez por todas si el rutenato de estroncio es un superconductor de ondas p muy deseado. Usando espectroscopia de ultrasonido resonante de alta resolución, descubrieron que el material es potencialmente un tipo de superconductor completamente nuevo: la onda g.

“Este experimento realmente muestra la posibilidad de este nuevo tipo de superconductor en el que nunca antes habíamos pensado”, dijo Ramshaw. “Realmente abre el espacio de posibilidades de lo que puede ser un superconductor y cómo puede manifestarse. Si alguna vez vamos a manejar el control de superconductores y usarlos en tecnología con el tipo de control afinado que tenemos con los semiconductores, realmente queremos saber cómo funcionan y en qué variedades y sabores vienen “.

Al igual que con proyectos anteriores , Ramshaw y Ghosh utilizaron espectroscopia de ultrasonido resonante para estudiar las propiedades de simetría de la superconductividad en un cristal de rutenato de estroncio que fue cultivado y cortado con precisión por colaboradores del Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos en Alemania.

Sin embargo, a diferencia de los intentos anteriores, Ramshaw y Ghosh encontraron un problema significativo al intentar realizar el experimento.

“Enfriar el ultrasonido resonante a 1 kelvin (menos 457,87 grados Fahrenheit) es difícil, y tuvimos que construir un aparato completamente nuevo para lograrlo”, dijo Ghosh.

Con su nueva configuración, el equipo de Cornell midió la respuesta de las constantes elásticas del cristal, esencialmente la velocidad del sonido en el material, a una variedad de ondas sonoras a medida que el material se enfría a través de su transición superconductora a 1,4 kelvin (menos 457 grados Fahrenheit).

“Estos son, con mucho, los datos de espectroscopía de ultrasonido resonante de mayor precisión jamás tomados a estas bajas temperaturas”, dijo Ramshaw.

Con base en los datos, determinaron que el rutenato de estroncio es lo que se llama un superconductor de dos componentes, lo que significa que la forma en que los electrones se unen es tan compleja que no se puede describir con un solo número; también necesita una dirección.

Estudios anteriores habían utilizado la espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN) para reducir las posibilidades de qué tipo de material ondulatorio podría ser el rutenato de estroncio, eliminando efectivamente la onda p como una opción.

Al determinar que el material era de dos componentes, el equipo de Ramshaw no solo confirmó esos hallazgos, sino que también mostró que el rutenato de estroncio tampoco era un superconductor convencional de ondas s o d.

“La ecografía resonante realmente te permite entrar e incluso si no puedes identificar todos los detalles microscópicos, puedes hacer declaraciones amplias sobre cuáles están descartados”, dijo Ramshaw. “Entonces, las únicas cosas con las que los experimentos son consistentes son estas cosas muy, muy extrañas que nadie ha visto antes. Una de las cuales es la onda g, que significa momento angular 4. Nadie ha pensado nunca que habría un superconductor de onda g “.

Ahora los investigadores pueden utilizar la técnica para examinar otros materiales y averiguar si son candidatos potenciales a la onda p.

Sin embargo, el trabajo sobre el rutenato de estroncio no ha terminado.

“Este material está extremadamente bien estudiado en muchos contextos diferentes, no solo por su superconductividad”, dijo Ramshaw. “Entendemos qué tipo de metal es, por qué es un metal, cómo se comporta cuando cambia la temperatura, cómo se comporta cuando cambia el campo magnético. Por lo tanto, debería poder construir una teoría de por qué se convierte mejor en un superconductor aquí que en cualquier otro lugar “.

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