El innovador descubrimiento del MIT en el intrigante mundo de la superconductividad

Un estudio del Instituto de Tecnología de Massachusetts arroja luz sorprendente sobre cómo ciertos superconductores experimentan una 'transición nemática', desbloqueando un nuevo comportamiento superconductor.  Los resultados podrían ayudar a identificar materiales superconductores no convencionales.

Bajo ciertas condiciones, generalmente extremadamente frías,  algunos materiales cambian su estructura para desbloquear un nuevo comportamiento superconductor.  Este cambio estructural se conoce como "transición nemática" y los físicos sospechan que ofrece una nueva forma de llevar los materiales a un estado superconductor donde los electrones pueden fluir completamente sin fricción.

Pero, ¿qué impulsa exactamente esta transición en primer lugar? La respuesta podría ayudar a los científicos a mejorar los superconductores existentes y descubrir otros nuevos.

 

Ahora, los físicos del MIT han identificado la clave de cómo una clase de superconductores experimenta una transición nemática, y contrasta sorprendentemente con lo que muchos científicos habían asumido.

 

Los físicos hicieron su descubrimiento estudiando seleniuro de hierro (FeSe), un material bidimensional que es el superconductor a base de hierro de temperatura más alta. Se sabe que el material cambia a un estado superconductor a temperaturas de hasta 70 Kelvin (cerca de -300° Fahrenheit). Aunque sigue siendo ultrafría, esta temperatura de transición es más alta que la de la mayoría de los materiales superconductores.

 

Cuanto mayor sea la temperatura a la que un material puede exhibir superconductividad, más prometedor puede ser para su uso en el mundo real, como para fabricar electroimanes potentes para máquinas de resonancia magnética más precisas y livianas o trenes de levitación magnética de alta velocidad.

 

Para esas y otras posibilidades, los científicos primero deberán comprender qué impulsa un interruptor nemático en los superconductores de alta temperatura como el seleniuro de hierro. En otros materiales superconductores a base de hierro, los científicos han observado que este cambio ocurre cuando los átomos individuales cambian repentinamente su espín magnético hacia una dirección magnética coordinada y preferida.

 

Pero el equipo del MIT descubrió que el seleniuro de hierro cambia a través de un mecanismo completamente nuevo. En lugar de sufrir un cambio coordinado en los espines, los átomos del seleniuro de hierro experimentan un cambio colectivo en su energía orbital. Es una buena distinción, pero que abre una nueva puerta al descubrimiento de superconductores no convencionales.

 

Riccardo Comin, profesor asociado de física de desarrollo profesional de la clase de 1947 en el MIT, señaló: “Nuestro estudio reorganiza un poco las cosas cuando se trata del consenso que se creó sobre lo que impulsa la nematicidad. Hay muchos caminos para llegar a la superconductividad no convencional. Esto ofrece una vía adicional para realizar estados superconductores”.

 

Comin y sus colegas publicaron sus resultados en un estudio que aparece en Nature Materials.  Los coautores del MIT incluyen a Connor Occhialini, Shua Sanchez y Qian Song, junto con Gilberto Fabbris, Yongseong Choi, Jong-Woo Kim y Philip Ryan en el Laboratorio Nacional de Argonne.

 

Bajo esta linea

 

 La palabra "nematicidad" proviene de la palabra griega "nema", que significa "hilo", por ejemplo, para describir el cuerpo similar a un hilo del gusano nematodo. La nematicidad también se usa para describir hilos conceptuales, como fenómenos físicos coordinados. Por ejemplo, en el estudio de cristales líquidos, se puede observar el comportamiento nemático cuando las moléculas se ensamblan en líneas coordinadas.

En los últimos años, los físicos han utilizado la nematicidad para describir un cambio coordinado que lleva a un material a un estado superconductor. Las fuertes interacciones entre los electrones hacen que el material en su conjunto se estire infinitesimalmente, como un caramelo microscópico, en una dirección particular que permite que los electrones fluyan libremente en esa dirección. La gran pregunta ha sido qué tipo de interacción provoca el estiramiento. En algunos materiales a base de hierro, este estiramiento parece ser impulsado por átomos que cambian espontáneamente sus espines magnéticos para apuntar en la misma dirección. Por lo tanto, los científicos han asumido que la mayoría de los superconductores a base de hierro hacen la misma transición impulsada por el espín.

 

Pero el seleniuro de hierro parece oponerse a esta tendencia. El material, que pasa a un estado superconductor a la temperatura más alta de cualquier material a base de hierro, también parece carecer de un comportamiento magnético coordinado.

 

“El seleniuro de hierro tiene la historia menos clara de todos estos materiales”, dijo Sánchez, quien es un postdoctorado del MIT y NSF MPS-Ascend Fellow. “En este caso, no hay orden magnético. Entonces, comprender el origen de la nematicidad requiere observar con mucho cuidado cómo se organizan los electrones alrededor de los átomos de hierro y qué sucede cuando esos átomos se separan”.

 

Un súper continuo

 

En su nuevo estudio, los investigadores trabajaron con muestras ultrafinas de seleniuro de hierro de un milímetro de largo, que pegaron a una tira delgada de titanio. Imitaron el estiramiento estructural que ocurre durante una transición nemática al estirar físicamente la tira de titanio, que a su vez estiró las muestras de seleniuro de hierro. Mientras estiraban las muestras en una fracción de micrón a la vez, buscaron propiedades que cambiaran de manera coordinada.

 

Usando rayos X ultrabrillantes, el equipo rastreó cómo se movían los átomos en cada muestra, así como también cómo se comportaban los electrones de cada átomo. Después de cierto punto, observaron un cambio definido y coordinado en los orbitales de los átomos. Los orbitales atómicos son esencialmente niveles de energía que pueden ocupar los electrones de un átomo. En el seleniuro de hierro, los electrones pueden ocupar uno de dos estados orbitales alrededor de un átomo de hierro. Normalmente, la elección de qué estado ocupar es aleatoria. Pero el equipo descubrió que a medida que estiraban el seleniuro de hierro, sus electrones comenzaron a preferir abrumadoramente un estado orbital sobre el otro. Esto marcó un cambio claro y coordinado, junto con un nuevo mecanismo de nematicidad y superconductividad.

 

“Lo que hemos demostrado es que existen diferentes físicas subyacentes cuando se trata de espín versus nematicidad orbital, y va a haber una serie de materiales que van entre los dos”, dice Occhialini, estudiante de posgrado del MIT. "Comprender dónde se encuentra en ese paisaje será importante para buscar nuevos superconductores".

 

El equipo del MIT se ha centrado en una forma de generar datos para identificar superconductores que ampliarán el archivo de posibles materiales para buscar candidatos a temperaturas más altas.

 

Este es un trabajo muy perspicaz. Uno espera dos cosas. Una sería que, a medida que la información fluya, se podrían identificar otras medidas que ayuden a llegar a un superconductor a temperatura ambiente o más cálido. En segundo lugar, a medida que se realizan las configuraciones de prueba, como cuando se estira una muestra, podría haber una forma de recopilar datos mientras se lleva a cabo el estiramiento.

 

El equipo parece haber mapeado una forma muy útil y práctica de expandir el campo de los materiales para la investigación y el descubrimiento. Uno espera que si llega un gran descubrimiento, que el trabajo de este equipo sea señalado como la clave para saber cómo y dónde buscar.

 

Por Brian Westenhaus a través de  New Energy and Fuel