Noves possibilitats descobertes per a la superconductivitat a temperatura ambient


Desactivació del SLAC de superconductivitat

Per estudiar els materials superconductors en el seu estat “normal” no superconductor, els científics solen apagar la superconductivitat exposant el material a un camp magnètic, a l’esquerra. Els científics de SLAC van descobrir que desactivar la superconductivitat amb un flaix de llum produeix un estat normal amb una física fonamental molt similar que també és inestable i que pot albergar breus flaixos de superconductivitat a temperatura ambient. Aquests resultats obren un nou camí cap a la producció de superconductivitat a temperatura ambient que sigui prou estable per a dispositius pràctics. Crèdit: Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory

Els científics descobreixen que activar la superconductivitat amb un flaix de llum implica la mateixa física fonamental que està en funcionament en els estats més estables necessaris per als dispositius, obrint un nou camí cap a la producció de superconductivitat a temperatura ambient.

Els investigadors poden aprendre més sobre un sistema sacsejant-lo fins a un estat lleugerament inestable (els científics l’anomenen “fora d’equilibri”) i després observant què passa a mesura que es torna a establir en un estat més estable, de la mateixa manera que les persones poden aprendre més sobre si mateixes si sortir de les seves zones de confort.

Els experiments amb el material superconductor òxid de coure itri bari, o YBCO, han demostrat que, sota determinades condicions, fer-lo fora de l’equilibri amb un pols làser li permet superconduir, conduir el corrent elèctric sense pèrdua, molt més a prop de la temperatura ambient del que esperaven els investigadors. Atès que els científics han estat treballant en superconductors a temperatura ambient durant més de tres dècades, aquest podria ser un avenç important.

Però, les observacions d’aquest estat inestable tenen alguna rellevància sobre l’alta temperatura? superconductors podria funcionar al món real, on usos com ara línies elèctriques, trens maglev, acceleradors de partícules i equips mèdics exigeixen la seva estabilitat?

Un estudi publicat a Avenços de la Ciència avui suggereix que la resposta és sí.

“La gent pensava que tot i que aquest tipus d’estudi era útil, no era gaire prometedor per a aplicacions futures”, va dir Jun-Sik Lee, científic del personal de la Departament d’Energia Laboratori Nacional Accelerador SLAC i líder de l’equip de recerca internacional que va dur a terme l’estudi.

“Però ara hem demostrat que la física fonamental d’aquests estats inestables és molt semblant a la dels estables. Per tant, això obre grans oportunitats, inclosa la possibilitat que altres materials també es puguin posar en un estat superconductor transitori amb llum. És un estat interessant que no podem veure d’una altra manera”.

Jun-Sik Lee, científic del personal del SLAC

Jun-Sik Lee, científic del personal del SLAC. Crèdit: Jun-Sik Lee/SLAC National Accelerator Laboratory

Com és normal?

YBCO és un compost d’òxid de coure, també conegut com a cuprat, i és membre d’una família de materials trobats el 1986 que condueixen l’electricitat amb resistència zero a temperatures molt superiors a les que els científics havien considerat anteriorment factible.

Igual que els superconductors convencionals, que s’havien descobert més de 70 anys abans, YBCO passa d’un estat normal a un estat superconductor quan es refreda per sota d’una determinada temperatura de transició. En aquest moment, els electrons s’aparellen i formen un condensat, una mena de sopa d’electrons, que condueix l’electricitat sense esforç. Els científics tenen una teoria sòlida de com passa això en els superconductors d’estil antic, però encara no hi ha consens sobre com funciona en els no convencionals com YBCO.

Una manera d’atacar el problema és estudiar l’estat normal de YBCO, que és força estrany per dret propi. L’estat normal conté una sèrie de fases complexes i entrellaçades de la matèria, cadascuna amb el potencial d’ajudar o dificultar la transició a la superconductivitat, que s’esforcen per dominar i de vegades es superposen. A més, en algunes d’aquestes fases els electrons semblen reconèixer-se i actuar col·lectivament, com si s’arrosseguessin.

És un autèntic embolcall, i els investigadors esperen que entendre-ho millor permetrà donar llum sobre com i per què aquests materials esdevenen superconductors a temperatures molt superiors al límit teòric previst per als superconductors convencionals.

És difícil explorar aquests fascinants estats normals a les temperatures càlides on es produeixen, de manera que els científics generalment refreden les seves mostres YBCO fins al punt que es converteixen en superconductores i després apaguen la superconductivitat per restaurar l’estat normal.

La commutació es fa generalment exposant el material a un camp magnètic. Aquest és l’enfocament preferit perquè deixa el material en una configuració estable, el tipus que necessitareu per crear un dispositiu pràctic.

La superconductivitat també es pot apagar amb un pols de llum, va dir Lee. Això crea un estat normal una mica desequilibrat, fora d’equilibri, on poden passar coses interessants, des del punt de vista científic. Però el fet que sigui inestable ha fet que els científics tinguin compte de suposar que qualsevol cosa que aprenen allà també es pot aplicar a materials estables com els necessaris per a aplicacions pràctiques.

Onades que es mantenen

En aquest estudi, Lee i els seus col·laboradors van comparar els dos enfocaments de commutació: camps magnètics i polsos de llum, centrant-se en com afecten una fase peculiar de la matèria coneguda com ones de densitat de càrrega, o CDW, que apareix als materials superconductors. Els CDW són patrons ondulats de densitat electrònica més alta i més baixa, però a diferència de les ones oceàniques, no es mouen.

Els CDW bidimensionals es van descobrir el 2012 i el 2015 Lee i els seus col·laboradors van descobrir un nou tipus de CDW en 3D. Tots dos tipus estan íntimament entrellaçats amb la superconductivitat a alta temperatura i poden servir com a marcadors del punt de transició on la superconductivitat s’activa o desactiva.

Per comparar com són els CDW a YBCO quan la seva superconductivitat s’apaga amb la llum versus el magnetisme, l’equip d’investigació va fer experiments amb tres fonts de llum de raigs X.

Primer van mesurar les propietats del material no pertorbat, incloses les seves ones de densitat de càrrega, a la font de llum de radiació de sincrotró de Stanford (SSRL) de SLAC.

A continuació, es van exposar mostres del material a camps magnètics elevats a la instal·lació de sincrotró SACLA al Japó i a la llum làser al làser d’electrons lliures de raigs X del Pohang Accelerator Laboratory (PAL-XFEL) a Corea, de manera que es poguessin produir canvis en els seus CDW. mesurat.

“Aquests experiments van demostrar que l’exposició de les mostres al magnetisme o a la llum generava patrons 3D similars de CDW”, va dir el científic del personal de SLAC i coautor de l’estudi, Sanghoon Song. Tot i que encara no s’entén com i per què passa això, va dir, els resultats demostren que els estats induïts per qualsevol enfocament tenen la mateixa física fonamental. I suggereixen que la llum làser podria ser una bona manera de crear i explorar estats transitoris que es podrien estabilitzar per a aplicacions pràctiques, inclosa, potencialment, la superconductivitat a temperatura ambient.

Investigadors del Pohang Accelerator Laboratory i de la Universitat de Ciència i Tecnologia de Pohang a Corea; Universitat de Tohoku, RIKEN[{” attribute=””>SPring-8 Center and Japan Synchrotron Radiation Research Institute in Japan; and Max Planck Institute for Solid State Research in Germany also contributed to this work, which was funded by the DOE Office of Science. SSRL is a DOE Office of Science user facility.

Reference: “Characterization of photoinduced normal state through charge density wave in superconducting YBa2Cu3O6.67” by Hoyoung Jang, Sanghoon Song, Takumi Kihara, Yijin Liu, Sang-Jun Lee, Sang-Youn Park, Minseok Kim, Hyeong-Do Kim, Giacomo Coslovich, Suguru Nakata, Yuya Kubota, Ichiro Inoue, Kenji Tamasaku, Makina Yabashi, Heemin Lee, Changyong Song, Hiroyuki Nojiri, Bernhard Keimer, Chi-Chang Kao and Jun-Sik Lee, 9 February 2022, Science Advances.
DOI: 10.1126/sciadv.abk0832