31.08.2020 - Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf e. V.

Una topografía de extremos

En el camino de la superconductividad no convencional, los investigadores están trazando un territorio desconocido

Un equipo internacional de científicos del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), el Instituto Max Planck para la Física Química de los Sólidos y colegas de los Estados Unidos y Suiza han combinado con éxito varias condiciones experimentales extremas de una manera completamente única, revelando interesantes conocimientos sobre las misteriosas propiedades conductoras del metal cristalino CeRhIn5. En la revista Nature Communications, informan sobre su exploración de regiones previamente inexploradas del diagrama de fases de este metal, que se considera un prometedor sistema modelo para comprender los superconductores no convencionales.

"En primer lugar, aplicamos una fina capa de oro a un único cristal microscópicamente pequeño. Luego usamos un rayo de iones para tallar diminutas microestructuras. En los extremos de estas estructuras, fijamos cintas ultrafinas de platino para medir la resistencia a lo largo de diferentes direcciones bajo presiones extremadamente altas, que generamos con una célula de presión de yunque de diamante. Además, aplicamos campos magnéticos muy potentes a la muestra a temperaturas cercanas al cero absoluto".

Para la persona promedio, esto puede parecer un capricho de un físico demasiado entusiasta, pero en realidad es una descripción real del trabajo experimental realizado por el Dr. Toni Helm del Laboratorio de Alto Campo Magnético (HLD) de la HZDR y sus colegas de Tallahassee, Los Álamos, Lausana y Dresde. Bueno, al menos en parte, porque esta descripción sólo insinúa los muchos desafíos que implica la combinación de tales extremos de forma simultánea. Este gran esfuerzo no es, por supuesto, un fin en sí mismo: los investigadores están tratando de llegar al fondo de algunas cuestiones fundamentales de la física del estado sólido.

La muestra estudiada es cer-rodio-indium-cinco (CeRhIn5), un metal con propiedades sorprendentes que aún no se comprenden del todo. Los científicos lo describen como un conductor eléctrico no convencional con portadores de carga extremadamente pesados, en el que, en determinadas condiciones, la corriente eléctrica puede fluir sin pérdidas. Se supone que la clave de esta superconductividad reside en las propiedades magnéticas del metal. Los temas centrales investigados por los físicos que trabajan con tales sistemas de electrones correlacionados incluyen: ¿Cómo se organizan colectivamente los electrones pesados? ¿Cómo puede esto causar magnetismo y superconductividad? ¿Y cuál es la relación entre estos fenómenos físicos?

Una expedición a través del diagrama de fases

Los físicos están particularmente interesados en el diagrama de fase del metal, una especie de mapa cuyas coordenadas son la presión, la intensidad del campo magnético y la temperatura. Para que el mapa sea significativo, los científicos tienen que descubrir tantos lugares como sea posible en este sistema de coordenadas, al igual que un cartógrafo que explora un territorio desconocido. De hecho, el diagrama emergente no es muy diferente del terreno de un paisaje.

Al reducir la temperatura a casi cuatro grados sobre el cero absoluto, los físicos observan el orden magnético en la muestra de metal. En este punto, tienen varias opciones: Pueden enfriar la muestra aún más y exponerla a altas presiones, forzando una transición al estado superconductor. Si, por otro lado, sólo aumentan el campo magnético externo hasta 600.000 veces la fuerza del campo magnético terrestre, el orden magnético también se suprime; sin embargo, el material entra en un estado llamado "electrónicamente nemático".

Este término se toma prestado de la física de los cristales líquidos, donde describe una cierta orientación espacial de las moléculas con un orden de largo alcance sobre áreas más grandes. Los científicos asumen que el estado nemático electrónico está estrechamente vinculado al fenómeno de la superconductividad no convencional. El entorno experimental de la HLD proporciona las condiciones óptimas para un proyecto de medición tan complejo. Los grandes imanes generan pulsos relativamente duraderos y ofrecen espacio suficiente para métodos de medición complejos en condiciones extremas.

Los experimentos en el límite permiten vislumbrar el futuro

Los experimentos tienen algunas características especiales adicionales. Por ejemplo, el trabajo con campos magnéticos de alta potencia crea corrientes de remolino en las partes metálicas del montaje experimental, que pueden generar calor no deseado. Por lo tanto, los científicos han fabricado los componentes centrales de un material plástico especial que suprime este efecto y funciona de manera fiable cerca del cero absoluto. A través de la microfabricación por medio de haces de iones enfocados, producen una geometría de muestra que garantiza una señal de medición de alta calidad.

"La microestructuración será mucho más importante en futuros experimentos. Por eso llevamos esta tecnología al laboratorio de inmediato", dice Toni Helm, y añade: "Así que ahora tenemos formas de acceder y penetrar gradualmente en dimensiones donde los efectos de la mecánica cuántica juegan un papel importante." También está seguro de que los conocimientos que él y su equipo han adquirido contribuirán a la investigación sobre superconductores de alta temperatura o nuevas tecnologías cuánticas.

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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