Observan la forma de los electrones de un superconductor

Un descubrimiento reciente publicado en la revista Nature Physics ofrece una técnica innovadora para el cálculo de las formas de los electrones. Este hallazgo ayudará a los científicos a obtener una comprensión mejor y más rápida de las propiedades de los materiales complejos.

Emanuele Dalla Torre, de la Universidad Bar-Ilan (Israel), junto con Yang He y Eugene Demler, de la Universidad de Harvard (EE.UU.), utilizaron la lógica holográfica para compilar un algoritmo que permite visualizar la forma de un electrón en un material superconductor. Esta exitosa colaboración aclaró los desconcertantes resultados de una serie de experimentos llevados a cabo en los últimos 15 años, resolviendo un misterioso enigma científico.

Dalla Torre -miembro del Departamento de Física de la Universidad Bar-Ilan- dice que de acuerdo con la mecánica cuántica los electrones pueden poseer propiedades ondulatorias. «La forma de la onda, sin embargo, no siempre es evidente, y tiende a variar dependiendo de las condiciones del material que aloja al electrón», dice Dalla Torre en la nota de prensa de su universidad.

«La invención a principios de la década de 1980 del STM -un microscopio de muy alta resolución- proporcionó la capacidad, por primera vez, de ver los átomos individuales en los materiales. Sin embargo, hasta ahora, los científicos habían visto la forma de un electrón sólo en átomos aislados -en el vacío- pero no dentro de un material complejo que contiene una gran variedad de átomos, donde el contorno de cada electrón es indistinguible», explica Dalla Torre.

«Desarrollamos un algoritmo matemático que nos ayudó a analizar mediciones de alta precisión realizadas con STM en cupratos -compuestos de cobre y oxígeno, conocidos por mantener las mejores propiedades superconductoras. Al identificar correlaciones recurrentes entre puntos de datos experimentales previamente inadvertidas, hemos sido capaces de reconstruir la forma de los electrones en estos maravillosos materiales «, dice.

«La forma que nos encontramos contiene regiones positivas (azul) y negativas (rojo). Los electrones están suspendidos dentro de una estructura ordenada de átomos: los círculos azules indican los átomos de oxígeno, mientras que los círculos de color rosa indican los de cobre. Por primera vez en la historia, aislamos y confirmamos una forma única de un electrón dentro de un material complejo», explica Dalla Torre, que añade: «Curiosamente, esta forma coincidió precisamente con las predicciones hechas en 1988 por los físicos teóricos Zhang y Rice de ETH, la Universidad de Ciencia y Tecnología de Zúrich (Suiza).»

Brillo atómico

Por otra parte, al revelar información previamente desconocida, el descubrimiento de Dalla Torre y sus colegas les permitió también proporcionar una explicación coherente para varios experimentos enigmáticos, realizados por primera vez en 2002 por el profesor Seamus Davis, de la Universidad Cornell, y la estudiante Jennifer Hoffman, de la Universidad de Harvard, quienes, utilizando un STM, revelaron patrones recurrentes de brillo atómico en cupratos.

Con los años, numerosos investigadores ofrecieron interpretaciones para estos hallazgos y otras observaciones relacionadas ambiguas, pero, hasta ahora, no había ninguna explicación satisfactoria para estas señales misteriosamente recurrentes.

Dalla Torre y sus colegas sospechaban que tenían que ver con la forma de los electrones, y, una vez que cartografiaron estas formas en los cupratos, fueron capaces de ofrecer una explicación simple para la observación.

«Los superconductores son materiales que, a temperatura ambiente, apenas conducen la electricidad. Sin embargo, cuando se enfrían por debajo de una cierta temperatura -la temperatura crítica- se transforman en superhéroes y conducen corrientes eléctricas sin resistencia alguna, y sin calentamiento o fusión. Estos materiales, son, por lo tanto, muy buscados por su potencial uso en una variedad de tecnologías de próxima generación», explica Dalla Torre.

«La temperatura crítica más alta de superconductores descubierta hasta ahora es la de los cupratos, que requieren refrigeración hasta un mínimo de -135 ° C para ser superconductores. Los costes de enfriar hasta estas temperaturas son prohibitivamente altos, lo que explica la continua búsqueda del Santo Grial: la más alta temperatura crítica posible que sea viable económicamente», dice Dalla Torre.

«En ausencia de una metodología eficaz para la búsqueda de nuevos materiales superconductores, los laboratorios de todo el mundo recurren a probar elementos al azar, con la esperanza de descubrir el candidato perfecto», dice. «Es como hacer un pastel sin receta: Usted espera que salga esponjoso, pero no tiene idea de qué ingredientes pueden afectar a la rigidez».

Holograma

Un holograma no es una imagen real: es un patrón codificado, según una característica especial de la luz. Miramos una imagen 2D, que nuestros ojos convierten en 3D.

Dalla Torre y sus colegas aplicaron la lógica de un holograma para obtener información sobre un objeto 3D a partir de mediciones de una superficie 2D. Mediante la extracción de toda la información codificada en una medición 2D de cuprato con STM, visualizaron la forma de un electrón.

Algunos consideran que los electrones son el «alma» de un material: determinan su color, su conductividad, y su actividad química completa. Dalla Torre espera que esta técnica innovadora para decodificar las formas de los electrones permitirá diseñar materiales inteligentes adecuados para las siempre cambiante tecnologías futuras. «Al obtener una mejor comprensión del comportamiento de los materiales, los científicos pueden estar en el camino de encontrar el siguiente superconductor», dice.

Referencia bibliográfica:

Emanuele G. Dalla Torre, Yang He, Eugene Demler: Holographic maps of quasiparticle interference. Nature Physics (2016). DOI: 10.1038/nphys3829.