Los investigadores han descubierto evidencia de que la superconductividad puede controlarse cambiando el entorno alrededor de un material, un avance que eventualmente podría conducir a una electrónica más eficiente y una poderosa tecnología cuántica.
La superconductividad permite que ciertos materiales conduzcan electricidad sin pérdida de energía cuando se enfrían por debajo de una temperatura crítica. Aunque los científicos han estudiado el fenómeno durante décadas, muchos de sus mecanismos subyacentes no se conocen bien. Obtener conocimientos más profundos sobre cómo se forma la superconductividad puede ayudar a los investigadores a diseñar mejores materiales y mejorar futuros dispositivos electrónicos y cuánticos.
El grafeno retorcido muestra un comportamiento inusual
La investigación, dirigida por el profesor de física de la Universidad Estatal de Ohio, Chun Ning (Jeannie) Lau, se centró en un material especialmente diseñado conocido como grafeno bicapa retorcido. El material se fabrica apilando dos láminas de carbono y girándolas un poco entre sí.
El equipo de investigación combinó la estructura del grafeno con titanato de estroncio, un material sintético similar al diamante. Esta configuración permite a los científicos observar e influir en cómo interactúan los electrones dentro del sistema.
Las interacciones electrónicas desempeñan un papel importante en la determinación de propiedades como el magnetismo y los enlaces químicos. En los superconductores, los electrones están dispuestos de una manera especial que permite que la electricidad fluya sin resistencia. Al ajustar el entorno alrededor del material, el equipo descubrió que podían fortalecer o debilitar esas interacciones y activar y desactivar efectivamente la superconductividad.
“Los electrones normalmente se repelen entre sí, pero en los superconductores forman pares; esta formación de pares es clave para la capacidad de un superconductor de conducir electricidad sin disipación”, dijo Lau. “Nuestra evidencia sugiere que los electrones, dependiendo de su sensibilidad al entorno que los rodea, son inesperadamente importantes para el cambio material”.
El descubrimiento desafía la teoría tradicional de los superconductores.
Los investigadores quedaron sorprendidos por uno de sus hallazgos. A medida que aumentaron la coordinación específica entre los materiales, la superconductividad se debilitó en lugar de fortalecerse.
Este comportamiento difiere de lo que los científicos suelen observar en los superconductores convencionales, donde la reducción de la fuerza de repulsión entre electrones normalmente fortalece la superconductividad. El inesperado resultado resalta cómo materiales inusuales como el grafeno bicapa retorcido pueden comportarse de manera muy diferente a los superconductores tradicionales.
“Si se puede transmitir electricidad sin pérdida de energía, será muy importante para las tecnologías que utilizamos en nuestra vida diaria”, afirmó Lau. “A pesar de las preguntas fundamentales que aún necesitan respuesta, este trabajo esencialmente proporciona un camino hacia un nuevo tipo de proceso físico”.
El descubrimiento podría ayudar a los investigadores a acercarse a uno de los mayores objetivos del campo: desarrollar superconductores que operen a temperaturas mucho más altas, potencialmente incluso a temperatura ambiente. Lograr este hito podría remodelar drásticamente la electrónica, los sistemas de comunicación y la tecnología de transmisión de energía.
Potencial para una electrónica más eficiente
Resultados, publicados Física de la naturalezaSugiera un método simple para controlar las condiciones necesarias para producir superconductividad.
Muchos superconductores de alta temperatura enfrentan actualmente limitaciones que reducen su rendimiento. Los investigadores creen que manipular el entorno que rodea a estos materiales podría proporcionar una nueva forma de mejorar sus capacidades y aumentar la eficiencia en la electrónica del futuro.
Según el autor principal Xueshi Gao, estudiante de doctorado en física en Ohio State, el equipo espera que los resultados sean útiles para una variedad de experimentos y sistemas materiales en todo el campo.
“El mecanismo de superconductividad en el sistema de grafeno bicapa retorcido que utilizamos aún no se comprende bien”, dijo Gao. “Pero nuestros resultados pueden arrojar luz y ayudar a las personas a comprender mejor el concepto cuando lo apliquen en trabajos futuros”.
Los investigadores planean más experimentos.
Los científicos advierten que el trabajo representa un paso inicial hacia la comprensión de una amplia gama de interacciones electrónicas complejas. Las investigaciones futuras explorarán otros tipos de interacción e investigarán cuestiones físicas adicionales planteadas por el estudio.
“Estamos mostrando capacidades que no habíamos mostrado antes, mucha gente en el campo está muy entusiasmada con estos resultados”, dijo Lau.
Otros coautores del estado de Ohio incluyen a Atmaj Rajesh, Emilio Codecido, Daria Sharifi, Zhenong Zhang, Yuwei Liu y Mark Bockrath. Entre los colaboradores se encontraban Alejandro Jimeno-Pozo, Pierre Pantaleon y Paco Gini de Imdia Nanoscience en España.
La investigación fue apoyada por el Departamento de Energía y la Fundación Nacional de Ciencias.
