Los teóricos desarrollaron nuevas formas de conectar electrones.
Los superconductores de alta temperatura tienen átomos dispuestos de una manera que ralentiza los electrones. Y cuando los electrones tienen la oportunidad de mezclarse cómodamente, crean colectivamente un campo eléctrico ornamentado que les permite hacer cosas nuevas, como formar pares. Los físicos ahora sospechan que en los cupratos, en particular, los electrones son atraídos entre los átomos de una manera especial que favorece el emparejamiento. Pero otros superconductores «no convencionales» siguen siendo bastante misteriosos.
Luego, en 2018, un nuevo superconductor abrió los ojos de la física.
Pablo Jarillo-Herrero, físico del Instituto Tecnológico de Massachusetts, descubrió que si se dispusiera una lámina de átomos de carbono en un panal (un cristal 2D llamado grafeno), se podría inclinar hasta 1,1 grados y darle la vuelta. apílelos uno encima del otro. Hoja de grafeno, dos capas pueden ser superconductoras.
Los investigadores ya estaban explorando la duplicación y el comportamiento diferente con materiales 2D. Al aplicar campos eléctricos, podrían agregar electrones a la lámina o hacer que los electrones sintieran casi como si la red atómica se estuviera contrayendo. Dividir estas configuraciones en un solo dispositivo 2D puede reproducir el comportamiento de miles a millones de materiales potenciales. Entre estas posibilidades, demostró Jarrillo-Herrero, se encontraba un nuevo superconductor: el grafeno del «ángulo mágico».
Luego, unos años más tarde, un grupo de California dio con el ángulo mágico y descubrió que los dispositivos de grafeno de tres capas y sin torsión también pueden ser superconductores.
Mark Bellin/Revista Quanta
Los investigadores todavía están debatiendo por qué los electrones se agrupan en estos casos. Los teléfonos reparan datos de alguna manera, pero algo nuevo también parece ser el responsable.
Pero lo que realmente entusiasmó a los físicos fue la promesa de una nueva forma de investigar la superconductividad en general. Los dispositivos 2D personalizados los liberaron de la molestia de diseñar, cultivar y probar nuevos cristales uno por uno. Ahora los investigadores pueden reproducir rápidamente los efectos de muchas redes atómicas diferentes en un solo dispositivo y descubrir de qué son capaces los electrones.
La estrategia de investigación ahora está dando sus frutos. Este año, los físicos han encontrado los primeros ejemplos de superconductividad en un material 2D, distinto del grafeno, en un nuevo sistema de grafeno con una forma completamente nueva de superconductividad. Los descubrimientos han establecido que los superconductores de grafeno anteriores marcan sólo las afueras de un nuevo bosque salvaje.
resultó ser una pista
En 2020, el físico Corey Dean y su equipo de la Universidad de Columbia intentaron apilar láminas de diferentes cristales 2D: este, una disposición en forma de panal de dos tipos de átomos llamada dicalcogenuro de metal de transición (TMD). Cuando doblaron las láminas a 5 grados, la resistencia llegó a cero pero no permaneció allí. Esta fue una indicación inequívoca de superconductividad.
La naturaleza provisional del hallazgo no impidió que Liang Fu, del MIT, y Constantin Schrad, de la Universidad Estatal de Luisiana, intentaran explicarlo. Sospechaban que los teléfonos no fueron contestados. Los materiales flexibles son poderosos porque los cambios de flexión que experimentan los electrones, forman el material en un patrón caleidoscópico de «muaré». Las moléculas tienen grandes células hexagonales que actúan como átomos sintéticos y albergan electrones. En este nuevo entorno, los electrones se mueven lo suficientemente lento como para que sus interacciones electrónicas generales guíen su comportamiento.
infografía de 5W; Mark Bellin/Revista Quanta
Pero, ¿cómo se conspiraron para formarse los pares de electrones? El grupo Columbia hilaba electrones formando muaré. Descubrieron que cuando el material muaré tenía un electrón para cada una de las células grandes, estos electrones formaban una configuración «muy ferromagnética». Se indujo que sus campos magnéticos internos alternaran entre apuntar hacia arriba y hacia abajo. Agregar electrones adicionales al muaré redujo la resistencia a cero: se formó el par de Cooper. Fu y Schrad argumentaron que el mismo proceso electrón sobre electrón estaba haciendo posible tanto el estado antiferromagnético como el estado superconductor. Con un electrón por celda, cada electrón puede tener una ubicación y orientación magnética preferidas. Pero cuando se acumulan electrones adicionales, la configuración magnética se vuelve inestable y toda la población comienza a fluir libremente.
Las revistas científicas inicialmente rechazaron el artículo de Fu y Schradd que esbozaba estas ideas porque no había pruebas contundentes de que los TMD pudieran ser superconductores. Ahora lo hay. El grupo Columbia pasó los últimos cuatro años mejorando su capacidad para medir la resistencia eléctrica a bajas temperaturas y, a principios de este año, lograron un gran avance. Armaron otro dispositivo de dos hojas con una curvatura de 5 grados, lo enfriaron y descubrieron que era superconductor: una observación que se publicará próximamente. naturaleza. «He aquí, vemos aparecer el estado que pensábamos que estaba exactamente en el lugar correcto», dijo Dean. «Es un poco de validación».
La teoría de Fu y Schradd, reforzada por la confirmación de Columbia, ya ha sido publicada, pero no ha sido probada. Una forma de probar esto es ver si el par de Cooper puede rotar, como predice la teoría. Esta es una característica inusual, ya que los electrones emparejados con fonones no orbitan entre sí.
Agregar electrones a un metal antiferromagnético no es la única forma de impartir superconductividad a los TMD. Poco antes del descubrimiento de Columbia, otro grupo descubrió una forma aún más inusual de superconductividad en el mismo material.
Jay Sean y Kan Faye Mak, una poderosa pareja académica que dirige un laboratorio en la Universidad de Cornell, han estado explorando la superconductividad en TMD desde el exitoso descubrimiento del grafeno retorcido de Jarillo-Herrero en 2018. Pasaron años mezclando y combinando cinco tipos de cristales TMD, experimentando con diferentes ángulos de torsión y temperaturas, y aplicando diferentes intensidades de campo eléctrico al material, encontrando un gran potencial para un dispositivo superconductor.
Cuando finalmente apareció la aguja, mostró un tipo de superconductividad que nadie había visto antes. El equipo de Columbia comenzó con un metal antiferromagnético y añadió electrones. El grupo de Cornell, sin embargo, empezó con un aislante y no añadió nada. Su patrón muaré, que resultó en una suave curvatura de 3,5 grados, permitió que los electrones se movieran tan lentamente e interactuaran tan estrechamente que todos quedaron atrapados en un solo lugar en un electrón por celda.