Los superconductores a temperatura ambiente pueden transformar todo, desde redes eléctricas hasta aceleradores de partículas y computadoras, pero antes de que puedan realizarse, los investigadores deben comprender mejor cómo funcionan los superconductores de alta temperatura existentes.
Ahora, investigadores del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía, la Universidad de Columbia Británica, la Universidad de Yale y otros han dado un paso en esta dirección al estudiar la dinámica rápida de una sustancia llamada óxido de itrio, bario y cobre, o YBCO.
El equipo informa el 20 de mayo en Ciencia Que la superconductividad de YBCO se entrelaza de manera inesperada con otro fenómeno conocido como ondas de densidad de carga (CDW), u ondas en la densidad de electrones en el material. Como esperaban los investigadores, la fuerza de los CDW aumenta cuando detienen la superconductividad de YBCO. Sin embargo, se sorprendieron al descubrir que los CDW también se organizaron más espacialmente de repente, lo que indica que la superconductividad esencialmente da forma a la forma de los CDW a nanoescala.
«Una gran parte de lo que no sabemos es la relación entre las ondas de densidad de carga y la superconductividad», dijo Giacomo Koslovic, científico del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía, quien dirigió el estudio. «Como uno de los superconductores de alta temperatura más limpios que se pueden cultivar, YBCO nos ofrece la oportunidad de comprender esta física de una manera muy directa, minimizando los efectos de la turbulencia».
Agregó: «Si podemos comprender mejor estos materiales, podemos crear nuevos superconductores que operen a temperaturas más altas, lo que permitirá muchas aplicaciones y abordará potencialmente muchos desafíos sociales, desde el cambio climático hasta la eficiencia energética y la disponibilidad de agua dulce».
Supervisión dinámica rápida
Los investigadores estudiaron la dinámica de YBCO en el láser de rayos X Linac Coherent Light Source (LCLS) de SLAC. Detuvieron la superconductividad en las muestras de YBCO con pulsos de láser infrarrojo y luego rebotaron los pulsos de rayos X en esas muestras. Para cada instantánea de rayos X, el equipo reunió una especie de instantánea de las ondas de electrones de CDW. Al pegarlos juntos, recrearon el rápido desarrollo de los CDW.
«Realizamos estos experimentos en el LCLS porque necesitábamos pulsos ultracortos de rayos X, que se pueden realizar en muy pocos lugares del mundo. También necesitábamos rayos X suaves, con longitudes de onda más largas que los rayos X típicos». El científico del equipo y autor dijo.El coautor del estudio, Joshua Turner, también investigador del Instituto Stanford de Ciencias de los Materiales y la Energía, dijo: «Además, es realmente genial trabajar con la gente de LCLS».
Estos experimentos de LCLS produjeron terabytes de datos, lo que presenta un desafío para procesar. dijo MengXing (Ketty) Na, estudiante de posgrado de la UBC y coautora del proyecto.
El equipo descubrió que las ondas de densidad de carga dentro de las muestras de YBCO se volvieron más correlacionadas, es decir, más ondas de electrones fueron periódicas o sincronizadas espacialmente, después de que el láser apagó la superconductividad.
«La duplicación del número de ondas asociadas con un destello de luz es genial, porque la luz generalmente produce el efecto opuesto. Podemos usar la luz para crear una perturbación completa de las ondas de densidad de carga si presionamos demasiado», dijo Kozlovic.
Para explicar estas observaciones experimentales, los investigadores modelaron cómo los CDW y las regiones superconductoras deberían interactuar con una variedad de suposiciones básicas sobre cómo funciona YBCO. Por ejemplo, su prototipo asumió que la región regular de superconductividad cuando se cierra con luz se convertiría en una región CDW uniforme, pero, por supuesto, esto es inconsistente con sus resultados.
«El modelo que mejor se ajusta a nuestros datos hasta ahora sugiere que la superconductividad actúa como un defecto en un patrón de ondas. Esto indica que a las ondas de superconductividad y densidad de carga les gusta estar dispuestas de una manera nanoscópica muy específica», explicó Kozlovic. «Son órdenes entrelazados en la misma escala de longitud de onda».
iluminando el futuro
La capacidad de desactivar la superconductividad utilizando pulsos ópticos fue un gran avance, dijo Kozlovic, lo que permitió realizar observaciones en una escala de tiempo de menos de una billonésima de segundo, con ventajas significativas sobre los enfoques anteriores.
“Cuando usas otros métodos, como aplicar un campo magnético alto, tienes que esperar mucho tiempo antes de hacer las mediciones, por lo que los CDW se reorganizan alrededor del desorden y pueden ocurrir otros fenómenos en la muestra”, dijo. «El uso de la luz nos permitió demostrar que este es un efecto intrínseco, una conexión real entre la superconductividad y las ondas de densidad de carga».
Turner dijo que el equipo de investigación está emocionado de ampliar este trabajo fundamental. Primero, quieren estudiar cómo los CDW se organizan mejor cuando se cierra la superconductividad de la luz. También planean ajustar la longitud de onda o la polarización del láser en futuros experimentos LCLS con la esperanza de usar la luz para mejorar el estado superconductor en lugar de apagarlo, de modo que puedan apagar y encender fácilmente el estado superconductor.
«Existe un interés general en tratar de hacer esto con pulsos de luz en escalas de tiempo muy rápidas, porque eso podría conducir al desarrollo de dispositivos superconductores y controlados por luz para la nueva generación de electrónica e informática», dijo Koslovic. «En última instancia, este trabajo también podría ayudar a guiar a las personas que intentan construir superconductores a temperatura ambiente».
Esta investigación es parte de una colaboración entre investigadores de LCLS, Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL), UBC, Yale, Institut National de la Recherche Scientifique en Canadá, North Carolina State University, North Carolina State University, Universidad Católica de Brescia y otros instituciones Este trabajo fue financiado en parte por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía. LCLS y SSRL son instalaciones de usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía.
«Pensador incondicional. Aficionado a la televisión galardonado. Emprendedor total. Evangelista de la web. Nerd del café».