Un gir diferent a la superconductivitat

Quan es connecta un aparell o es prem un interruptor de la llum de les nostres llars, sembla que la llum flueix instantàniament a través dels cables encastats dins de les parets. Però de fet, l'electricitat es transporta per petites partícules anomenades electrons que es desplacen lentament a través dels cables. En el seu viatge, els electrons s'enfronten ocasionalment als àtoms del material, donant-li energia per cada col·lisió.

El grau en què els electrons viatgen sense interrupcions determina el rendiment d'un material que pot conduir electricitat. Els canvis ambientals poden millorar la conductivitat, en alguns casos dràsticament. Per exemple, quan es refreden determinats materials, els electrons s'uneixen perquè puguin fluir sense perdre energia, un fenomen anomenat superconductivitat.
Un equip d'investigadors del Departament de Física de la Universitat de Maryland (UMD) han vist superconductivitat basada en interaccions electròniques molt inusuals. Si bé es preveu que es produeixin en altres sistemes no-materials, aquest tipus de comportament s'ha mantingut evident.

Les interaccions electròniques en superconductors venen determinades per una propietat quàntica anomenada spin. En un superconductor ordinari, els electrons, porten un gir de ½, parell i flueixen lliurement amb l'ajuda de vibracions en l'estructura atòmica. Aquesta teoria està provada i pot descriure el comportament de la majoria dels superconductors. En aquesta nova investigació, l'equip ha descobert l'evidència d'un nou tipus de superconductivitat en el material YPtBi, que sembla sorgir de partícules spin-3/2.
Ningú pensava realment que això era possible en materials sòlids. Els estats d'alta velocitat en àtoms individuals són possibles, però una vegada que els àtoms es col·loquen en un sòlid, aquests estats solen descomposar-se i acabar amb un mig gir.
Trobar que YPtBi es comporta com un superconductor va sorprendre als investigadors. La majoria dels superconductors comencen com a conductors raonablement bons, amb molts electrons mòbils. Segons la teoria convencional, l'YPtBi necessitaria aproximadament mil electrons mòbils per a convertir-se en superconductors a temperatures inferiors a 0,8 Kelvin. I tot i així, després de refredar el material a aquesta temperatura, l'equip va veure que la superconductivitat sempre era possible. Aquest va ser un primer senyal de que hi havia alguna cosa interessant dins d'aquest material.

Després de descobrir la transició superconductora anòmala, els investigadors van realitzar mesures que els donaven informació sobre l'aparellament d'electrons subjacents. Van estudiar una característica dels superconductors: coneguda com la seva interacció amb els camps magnètics. A mesura que el material experimenta la transició cap a un superconductor, aquest intentarà expulsar qualsevol camp magnètic introduït des del seu interior. Però l'expulsió no és completament perfecte. A prop de la superfície, el camp magnètic encara pot introduir el material, però després es descompon ràpidament. Fins a quin punt depèn la naturalesa de l'aparellament d'electrons i canvia a mesura que el material es refreda més i més?
Per investigar aquest efecte, els investigadors van variar la temperatura en una petita mostra del material, tot exposant-la a un camp magnètic més de deu vegades més feble que el de la Terra. Una bobina de coure que envoltava la mostra, va detectar canvis a les propietats magnètiques del superconductor i va permetre a l'equip mesurar sensiblement petites variacions en la profunditat del camp magnètic aconseguit dins del superconductor.
La mesura va revelar una intrusió magnètica inusual. A mesura que el material es va anar escalfant des de el zero absolut, la profunditat de penetració de camp pel YPtBi augmentava linealment en comptes de manera exponencial com ho faria en un superconductor convencional. Aquest efecte, combinat amb altres mesuraments i càlculs teòrics, va limitar les possibles maneres en què els electrons es podrien unir. Els investigadors van concloure que la millor explicació de la superconductivitat eren electrons disfressats de partícules amb una major possibilitat d'espín que fins i tot, no s'havia considerat abans en el marc de la superconductivitat convencional.

El descobriment d'aquest superconductor d'alta velocitat, ha donat una nova direcció a aquest camp d'investigació. Se solia estar tancat en la necessitat d'emparellar amb partícules de mig gir o 1/2 spin, però quan es va començar a considerar un gir més elevat, el panorama d'aquesta recerca superconductora, s'amplia i acaba essent més interessant.
De moment, encara queden moltes preguntes obertes incloent-hi, en primer lloc, com es pot produir aquesta vinculació. Quan es te aquest parell d'alta resolució, quina és la cua que té aquests parells junts? Hi ha algunes idees sobre el que podria estar passant, però encara hi ha preguntes fonamentals que fan que encara sigui més interessant.

Font: Universitat de Maryland