- El equipo de investigación ha superado el límite de velocidad de los superconductores, explorando el fenómeno de ruptura de pares de electrones entrelazados.
- El fenómeno de ruptura de la superconductividad provoca perturbaciones en milmillonésimas de segundo, afectando la superconductividad.
- El equipo utilizó materiales de nitruro de tántalo y óxido de bario y cobre de itrio en sus experimentos, mostrando diferentes comportamientos superconductores.
- Los resultados de la investigación ayudarán a estudiar las propiedades superconductoras de nuevas maneras en el futuro.
Un equipo de investigación de los Institutos Max Planck de Alemania, el Instituto de Microsistemas y Tecnología de Shanghai en China, la ETH Zurich en Suiza y la Universidad de Oxford en el Reino Unido ha logrado un avance significativo al superar el "límite de velocidad" de los superconductores, explorando el fenómeno de ruptura de pares de electrones entrelazados (es decir, pares de Cooper). Los superconductores son materiales que pueden conducir electricidad sin resistencia y generar campos magnéticos a temperaturas por debajo de un umbral específico. Estas propiedades únicas han permitido el desarrollo de tecnologías en equipos médicos como aceleradores de partículas y resonancia magnética (MRI), que hace un siglo parecían sacadas de una novela de ciencia ficción.
Aunque hemos logrado establecer un estado superconductor en una variedad de materiales, los científicos son conscientes de la fragilidad de estos sistemas. Un aumento en la temperatura o cambios en la corriente y el campo magnético son suficientes para hacer que el material pierda su estado superconductor.
Desafíos del fenómeno de ruptura de la superconductividad
El fenómeno de ruptura de la superconductividad, aunque los campos magnéticos y las corrientes pueden ser medidos, presenta otro límite que es difícil de medir, ya que puede provocar perturbaciones en milmillonésimas de segundo. Este es el límite de ruptura, donde los pares de electrones entrelazados (es decir, pares de Cooper) se desgarran, resultando en una pérdida inmediata de la superconductividad. Debido a la velocidad extremadamente rápida de las perturbaciones causadas al cruzar el límite de ruptura, los científicos necesitan investigar más rápidamente para detectar si se ha superado este límite. El equipo de investigación encontró un método novedoso, similar a superar el límite de velocidad al cruzar dicho límite. Los superconductores de segunda clase se utilizan ampliamente en diversas aplicaciones y, de hecho, son un compromiso físico.
A diferencia de los superconductores de primera clase, que tienen límites magnéticos frágiles, los superconductores de segunda clase tienen límites más altos, gracias a su campo magnético interno (es decir, vórtices cuánticos), lo que permite que la corriente fluya y mantenga la superconductividad incluso en condiciones extremas.
Comportamientos superconductores de diferentes materiales
Corrientes fuertes pueden desgarrar estos vórtices cuánticos y generar resistencia en el material, lo que termina con su superconductividad. Por lo tanto, el equipo de investigación decidió utilizar esta información para comprender mejor el límite de ruptura. Superando el límite de velocidad, el equipo utilizó dos tipos diferentes de materiales superconductores, nitruro de tántalo (NbN) y un miembro de la familia de óxido de bario y cobre de itrio (YBCO), ambos mostrando superconductividad a alta temperatura. NbN tiene simetría de brecha de onda s, mientras que YBCO tiene simetría de brecha de onda d, lo que determina la facilidad con la que se puede desgarrar su superconductividad.
Para superar los procesos cuánticos que ocurren en milmillonésimas de segundo, el equipo estableció un circuito optoelectrónico cuya velocidad supera varios órdenes de magnitud la velocidad de movimiento de los vórtices cuánticos, que es de decenas de kilómetros por segundo. Los investigadores descubrieron que NbN mantenía su superconductividad hasta que la corriente aplicada alcanzaba un valor crítico, momento en el cual perdía repentinamente su superconductividad. Por otro lado, el material YBCO perdía su superconductividad de manera gradual. El equipo atribuyó esta diferencia a la simetría de la brecha de energía de los dos materiales, donde la brecha de energía de NbN es la misma en todas las direcciones, mientras que la brecha de energía del material YBCO varía significativamente, lo que impide que se apague de una sola vez.
Las diferencias en el comportamiento de estos dos materiales proporcionaron a los investigadores una comprensión fundamental de la superconductividad, que finalmente se reduce a los pares de Cooper y su estabilidad. Superar el límite de velocidad de transición de los materiales superconductores permitirá a los investigadores estudiar y obtener estas propiedades de nuevas maneras en el futuro. Los resultados de la investigación han sido publicados en la revista Nature Physics.
Nuevas direcciones en la investigación de superconductores
El avance del equipo de investigación en el campo de los superconductores no solo revela la fragilidad de los pares de electrones entrelazados, sino que también proporciona nuevas perspectivas para la investigación futura de materiales superconductores. Las rápidas perturbaciones del fenómeno de ruptura de la superconductividad hacen que la estabilidad del material sea clave, lo que es crucial para el desarrollo de aplicaciones prácticas como aceleradores de partículas y equipos médicos. A través del estudio en profundidad de diferentes materiales, los científicos podrán comprender mejor las propiedades superconductoras, impulsando así la innovación y aplicación de tecnologías relacionadas.