Nueva Comprensión del Mecanismo de los Superconductores de Alta Temperatura

física cuántica Dec 19, 2017

Desde que en 1986 se descubriera la superconductividad de alta temperatura en los compuestos de óxido de cobre denominados cupratos, los científicos han tratado de entender cómo estos materiales pueden conducir la electricidad sin resistencia a temperaturas cientos de grados por encima de las temperaturas ultrabajas que requieren los superconductores convencionales. Estas propiedades, más allá de ser un verdadero reto científico, tienen también un enorme interés para fines industriales, ya que permiten un ahorro potencialmente enorme en la generación y el transporte de electricidad.

Uno de los mejores materiales candidatos a superconductor de alta temperatura siguen siendo los cupratos. Los resultados recientes sugieren que la causa del fenómeno está relacionada con las franjas fluctuantes. Los experimentos han establecido que las franjas de carga son universales en los superconductores de cupratos subdopados. Sin embargo, existen interpretaciones alternativas basadas en los electrones itinerantes, y las pruebas experimentales concluyentes de las franjas fluctuantes siguen siendo esquivas.

Estructuras cristalinas de los cupratos HgBa2CuO4+ y YBa2Cu3O6+.

En 2017, un equipo de Stanford mostró evidencias numéricas de estas franjas fluctuantes en los cupratos superconductores de alta temperatura abriendo el camino a una mejor comprensión del fenómeno. Su idea principal era que las fluctuaciones térmicas y cuánticas hacen que las franjas estáticas se fundan en un estado fluctuante con correlaciones dinámicas. Al sospechar esta forma fluctuante, utilizaron una simulación cuántica de Monte Carlo para demostrar la dinámica del sistema. Basaron su teoría en el modelo de tres bandas de Hubbard, que representa la estructura electrónica local del plano de cobre-oxígeno.

El modelo de Hubbard es un modelo muy simplificado para fermiones de espín 1/2 que se mueven en una red periódica. Las partículas pueden saltar de un sitio a otro con una velocidad t y pueden tener interacciones in situ U con partículas de espín opuesto, como se muestra en la figura de arriba.

Sus resultados mostraron robustez ante la variación de los parámetros, el tamaño del cúmulo y las condiciones de contorno. Demostraron que en la fase desordenada, las franjas mantienen sus características y periodicidad de forma fluctuante, siendo robustas a las variaciones. El orden fluctuante de las franjas observado hasta temperaturas tan elevadas es una prueba contundente que corrobora que estos fenómenos son lo suficientemente fuertes como para afectar a todas las propiedades electrónicas.

Hay razones para pensar que las franjas de cargas y espín pueden estar íntimamente ligadas a la aparición de la superconductividad de alta temperatura en estos materiales, que se descubrió hace 30 años pero que hasta ahora no se entiende ni se explica.

Edwin Huang, Instituto de Ciencias de los Materiales y la Energía de Stanford (SIMES)

El siguiente paso será responder a la pregunta de si las franjas fluctuantes influyen en la superconductividad o cómo lo hacen.

Más información en: https://phys.org/news/2017-12-cuprate-materials-fluctuating-stripes-linked.html

 

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