Avances en superconductividad

Por Francisco R. Villatoro, el 22 diciembre, 2014. Categoría(s): Ciencia • Física • Nature • Noticias • Physics • Science ✎ 1

Dibujo20141220 High-Tc cuprate superconductors - Schematic phase diagram - nature phys

Navidad y Fin de Año son épocas de esperanza. Ideales para soñar y olvidar que tenemos los pies sobre la tierra. El secreto de la superconductividad de alta temperatura crítica es uno de los grandes misterios de la física actual. Una noticia publicada en Science Daily afirma que varios artículos publicados en 2014 apuntan a que 2015 podría ser un año revolucionario. Una idea que nació hace unos 20 años podría ser clave para explicar la superconductividad en cupratos. No deberíamos tintinear las campanas tan pronto, pero estamos en fin de año.

Este año varios artículos apuntan a que un estado de la materia llamado pseudogap (o metal nodal, o líquido nodal) podría jugar un papel clave en desvelar el enigma de la superconductividad de alta Tc en cupratos. Makoto Hashimoto (Univ. Stanford) y varios colegas han publicado en Nature Physics y Nature Materials sendos artículos sobre cupratos usando una técnica experimental llamada ARPES (Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy). Sus resultados parecen la prueba definitiva de que los estados «pseudogap» y superconductor comparten un origen común. Muchos físicos lo habían sugerido en los últimos 20 años, pero hasta ahora nunca había estado tan claro. ¿Está próxima la solución del misterio? Tengamos esperanza, al menos hasta que pasen las fiestas.

La noticia en cuestión es «First direct evidence that a mysterious phase of matter competes with high-temperature superconductivity,» Science Daily, 20 Dec 2014. Los artículos técnicos que hay que leer son Makoto Hashimoto et al., «Energy gaps in high-transition-temperature cuprate superconductors,» Nature Physics 10: 483-495, 30 Jun 2014; y Makoto Hashimoto et al., «Direct spectroscopic evidence for phase competition between the pseudogap and superconductivity in Bi2Sr2CaCu2O8+δ,» Nature Materials 14: 37-42, 02 Nov 2014arXiv:1405.5199 [cond-mat.supr-con].

La teoría BCS de la superconductividad predice un gap (∆c) en energía en el nivel de Fermi. Los pares de Cooper que se condensan por debajo de la temperatura crítica (Tc) en un estado de Bose-Einstein y los electrones responsables de la conducción eléctrica (asociados a estados excitados de estos pares) están separados por una banda prohibida (gap) similar a la que separa las bandas de conducción y valencia en los semiconductores. La superconductividad en cupratos depende de la concentración de dopantes. En 1993 se descubrió que al reducir el grado de dopado en cupratos desaparecía la superconductividad, pero aparecía un nuevo estado de la materia caracterizado por un segundo gap, el llamado estado pseudogap (∆pg) de los cupratos (con su propia temperatura crítica T*). A alto dopado Tc∼T* y ∆c∼∆pg, pero a menor dopado Tc<T* y  ∆c≠∆pg. Desde 2001 muchos expertos piensan que los estados pseudogap y superconductor tienen un origen común en cupratos.

Por desgracia, aún no conocemos el origen del pseudogap. Como en el caso del estado superconductor hay varias teorías razonables. A mí me gusta la propuesta de Balents–Fisher–Nayak de que este estado es resultado de un líquido nodal o metal nodal («Nodal Liquid Theory of the Pseudo-Gap Phase of High-Tc Superconductors,» Int. J. Mod. Phys. B 12: 1033, 1998arXiv:cond-mat/9803086 [cond-mat.supr-con]). La idea es que un superconductor de onda-d las cuasipartículas tienen un pseudoespín que permite cierto número de estados discretos (o nodales). Pero se trata de una teoría de campos efectiva, cuya formulación microscópica no es conocida aún.

Dibujo20141221 d-wave superconducting gap symmetry in cuprates witnessed by ARPES and the improvement over time - nphys3009-f2 - nature phys

Los avances en la técnica ARPES en los últimos 20 años han sido espectaculares. Muchos físicos han pensado que ambos estados tienen un origen común. Pero hasta 2010 no se había demostrado que hay una fuerte relación entre el estado pseudogap y el superconductor. Este año, 2014, se ha descubierto que, además, ambos estados, el superconductor y el pseudogap, son antagonistas. Por tanto, el estudio de la transición entre ambos estados parece clave para entender su origen común.

Los que somos optimistas por excelencia, máxime en estas fechas, vemos señales muy prometedoras para 2015. Los físicos teóricos en superconductividad deberían enfocar su atención en este campo. Me gustaría pensar que estamos rozando con la punta de los dedos el origen de la superconductividad de alta temperatura (como cuando Alfred Brian Pippard publicó en 1953 sus estudios experimentales y teóricos sobre la longitud de coherencia en superconductores, que generalizó las ideas de los hermanos Fritz y Heinz London de 1950 y que inspiró la teoría BCS). Lo sé, soñar es gratis, pero estamos en fin de año.



1 Comentario

Deja un comentario

Por Francisco R. Villatoro, publicado el 22 diciembre, 2014
Categoría(s): Ciencia • Física • Nature • Noticias • Physics • Science
Etiqueta(s): , , , , , , , ,