23.07.2021 - Technische Universität Wien

Utilizar las temperaturas ultrabajas para entender la superconductividad de alta temperatura

Un sorprendente descubrimiento podría ayudar a resolver el enigma de la superconductividad de alta temperatura

A bajas temperaturas, ciertos materiales pierden su resistencia eléctrica y conducen la electricidad sin pérdida alguna: este fenómeno de la superconductividad se conoce desde 1911, pero aún no se comprende del todo. Y es una pena, porque encontrar un material que siga teniendo propiedades superconductoras incluso a altas temperaturas probablemente desencadenaría una revolución tecnológica.

Un descubrimiento realizado en la TU Wien (Viena) podría ser un paso importante en esta dirección: Un equipo de físicos del estado sólido ha estudiado un material inusual, el llamado "metal extraño", compuesto por iterbio, rodio y silicio. Los metales extraños muestran una relación inusual entre la resistencia eléctrica y la temperatura. En el caso de este material, esta correlación puede observarse en un rango de temperaturas especialmente amplio, y se conoce el mecanismo subyacente. En contra de lo que se suponía, ahora resulta que este material es también un superconductor y que la superconductividad está estrechamente relacionada con el comportamiento de los metales extraños. Esto podría ser la clave para entender la superconductividad de alta temperatura también en otras clases de materiales.

Metal extraño: relación lineal entre resistencia y temperatura

En los metales ordinarios, la resistencia eléctrica a bajas temperaturas aumenta con el cuadrado de la temperatura. En algunos superconductores de alta temperatura, sin embargo, la situación es completamente diferente: a bajas temperaturas, por debajo de la llamada temperatura de transición superconductora, no muestran ninguna resistencia eléctrica, y por encima de esta temperatura la resistencia aumenta linealmente en lugar de cuadráticamente con la temperatura. Esto es lo que define a los "metales extraños".

"Por tanto, ya se sospechaba en los últimos años que esta relación lineal entre la resistencia y la temperatura es de gran importancia para la superconductividad", afirma la profesora Silke Bühler-Paschen, que dirige el área de investigación "Materiales cuánticos" en el Instituto de Física del Estado Sólido de la Universidad Técnica de Viena. "Pero, por desgracia, hasta ahora no conocíamos un material adecuado para estudiarlo en profundidad". En el caso de los superconductores de alta temperatura, la relación lineal entre la temperatura y la resistencia sólo suele ser detectable en un rango de temperatura relativamente pequeño y, además, diversos efectos que inevitablemente se producen a temperaturas más altas pueden influir en esta relación de forma complicada.

Ya se han realizado muchos experimentos con un material exótico (YbRh2Si2) que muestra un comportamiento de metal extraño en un rango de temperatura extremadamente amplio, pero, sorprendentemente, no parecía surgir superconductividad de este estado de "metal extraño" extremo. "Ya se han hecho consideraciones teóricas para justificar por qué la superconductividad no es posible en este caso", afirma Silke Bühler-Paschen. "Sin embargo, decidimos echar otro vistazo a este material".

Temperaturas récord

En la Universidad Técnica de Viena se dispone de un laboratorio de bajas temperaturas especialmente potente. "Allí podemos estudiar los materiales en condiciones más extremas de lo que otros grupos de investigación han podido hacer hasta ahora", explica Silke Bühler-Paschen. En primer lugar, el equipo pudo demostrar que en el YbRh2Si2 la relación lineal entre la resistencia y la temperatura existe en un rango de temperaturas aún mayor de lo que se creía, y después hicieron el descubrimiento clave: a temperaturas extremadamente bajas, de sólo un milikelvin, el extraño metal se convierte en superconductor.

"Esto hace que nuestro material sea ideal para averiguar de qué manera el comportamiento del metal extraño conduce a la superconductividad", dice Silke Bühler-Paschen.

Paradójicamente, el propio hecho de que el material sólo se convierta en superconductor a temperaturas muy bajas garantiza que pueda utilizarse para estudiar la superconductividad a alta temperatura de forma especialmente adecuada: "Los mecanismos que conducen a la superconductividad son particularmente visibles a estas temperaturas extremadamente bajas porque no se ven superpuestos por otros efectos en este régimen. En nuestro material, se trata de la localización de algunos de los electrones de conducción en un punto crítico cuántico. Hay indicios de que un mecanismo similar puede ser también responsable del comportamiento de los superconductores de alta temperatura, como los famosos cupratos", afirma Silke Bühler-Paschen.

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