Sampson Wilcox, Research Laboratory of Electronics
Investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), en Estados Unidos, han descubierto un superconductor único en el grafito ordinario que actúa simultáneamente como imán.
Tradicionalmente se creía que superconductores e imanes son incompatibles porque los superconductores desplazan los campos magnéticos. Sin embargo, el descubrimiento de los físicos del MIT refuta esta afirmación. El superconductor quiral descubierto en capas de grafito conduce la corriente eléctrica con resistencia cero y tiene propiedades magnéticas.
El superconductor se descubrió en El grafeno romboédrico — una forma especial de grafito con 4-5 capas de grafeno apiladas en forma de «escalera». Los científicos aislaron partículas microscópicas de grafeno romboédrico del grafito y las sometieron a una serie de pruebas eléctricas.
Resultó que cuando estas partículas se enfrían a unos -273 °C, el material se vuelve superconductor. Los investigadores también descubrieron que, al cambiar el campo magnético externo, estas partículas podían cambiar entre dos estados superconductores, como un imán de inversión de polaridad.
Esto significa que el superconductor tiene su propio magnetismo interno. Los investigadores del MIT observaron este comportamiento en 6 muestras. No se ha observado en ningún otro material superconductor. El campo magnético crítico alcanzó 1,4 tesla — más que el de otros superconductores de grafeno.
«El consenso general es que a los superconductores no les gustan los campos magnéticos. Pero creemos que se trata de la primera observación de un superconductor que se comporta como un imán con pruebas tan directas y sencillas. Y es bastante sorprendente porque va en contra de la comprensión general que tiene la gente de la superconductividad y el magnetismo», — afirma el autor principal del estudio, Profesor del Departamento de Física del MIT Long Ju.
En los materiales conductores tradicionales, los electrones se mueven al azar, volando unos junto a otros, rebotando de la red atómica del material. Cada vez que un electrón se dispersa en un átomo, encuentra cierta resistencia y, como resultado, pierde algo de energía, sobre todo en forma de calor. Sin embargo, el enfriamiento de algunos materiales a temperaturas ultrabajas los convierte en superconductores. En estas condiciones, los electrones pueden formar pares. En lugar de dispersarse, estos pares de electrones se deslizan por el material sin resistencia. En un superconductor, por tanto, no se pierde energía durante el movimiento.
En los últimos años, un equipo de investigadores del MIT, la Universidad Estatal de Florida, la Universidad de Basilea (Suiza) y el Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón ha estado estudiando las propiedades eléctricas del grafeno romboédrico de cinco capas. Recientemente han observado cómo esta estructura permite a los electrones dividirse en partes de sí mismos. Esto puede observarse si se coloca grafeno romboédrico de cinco capas sobre una lámina de de nitruro de boro hexagonal y ligeramente desplazado en un ángulo adecuado.
Según los investigadores, la explicación de las propiedades únicas de este material es su configuración. Tiene una disposición extremadamente simple de átomos de carbono. Cuando se enfría a temperaturas ultrabajas, las fluctuaciones térmicas se reducen al mínimo, lo que ralentiza los electrones y les permite interactuar. Los electrones pueden emparejarse y convertirse en superconductores. En este material, los electrones parecen «girar» en una dirección, como pequeños imanes, siguiendo una trayectoria especial que los científicos denominan «valle de».
Cuando todos los electrones están en el mismo valle, giran en la misma dirección y no en la opuesta. En los superconductores convencionales, los electrones pueden ocupar cualquier valle y cualquier par de electrones suele estar formado por electrones de valles opuestos que se anulan mutuamente. En general, el par tiene momento cero y no gira.
«Puedes imaginar dos electrones de un par girando en el sentido de las agujas del reloj o en sentido contrario, lo que corresponde a un imán apuntando hacia arriba o hacia abajo. Por tanto, creemos que se trata de la primera observación de un superconductor que se comporta como un imán debido al movimiento orbital de los electrones, lo que se conoce como superconductor quiral. Es único en su clase. También es un candidato a superconductor topológico que puede permitir una computación cuántica fiable», — afirmó uno de los participantes en el estudio Tonghang Khan.
El descubrimiento puede llevar a la creación de bits cuánticos estables (cubits), imanes de resonancia magnética mejorados y electrónica de bajo consumo, que reduce el consumo de energía entre un 20 y un 30%. Los científicos planean estudiar cómo aumentar la temperatura de la superconductividad y crear dispositivos escalables.
Los resultados del estudio se publican en la revista Nature
Fuente: SciTechDaily