Las Personalidades 'Divididas' De Los Electrones Ayudan A Resolver El Misterio De La Física

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Los electrones tienen personalidades divididas según la cantidad de ellos, sugiere una nueva investigación que puede resolver un misterio de la física sobre los superconductores.

Los electrones, las partículas cargadas negativamente alrededor de los átomos, tienen "personalidades" divididas y actúan de una forma u otra según la cantidad de ellas, sugiere una investigación reciente.

El hallazgo podría ayudar a resolver un misterio de larga data sobre las corrientes eléctricas en los superconductores, que llevan esa corriente sin pérdida de energía. Los físicos se han preguntado durante mucho tiempo por qué los electrones a veces se mueven libremente cuando los materiales superconductores se enfrían y otras veces interrumpen el flujo eléctrico.

Los investigadores se centraron en los llamados superconductores de alta temperatura, o en aquellos materiales que conducen la electricidad a temperaturas superiores a supercold, o cero absoluto (menos 459.67 grados Fahrenheit, o menos 273.15 grados Celsius). Utilizaron un microscopio electrónico para examinar una clase de superconductores de alta temperatura basados ​​en cupratos, orcopers y compuestos de oxígeno. Los cupratos suelen ser aislantes (lo que significa que no conducen electricidad), pero cuando se enfrían a unos 160 grados Kelvin (menos 171 grados F, o menos 113 grados C) y se mezclan con un oxígeno, que asciende a unos pocos átomos dispersos entre varias moléculas de cuprato, Se convierten en superconductores, encontró el equipo del Laboratorio Nacional Brookhaven. [Más allá del cobre: ​​8 elementos químicos que nunca has escuchado]

Electrones pegados

Los investigadores encontraron que dopar los cupratos con oxígeno inicialmente hizo que algunos de los electrones se congelaran en su lugar, una condición llamada "rayas". Las bandas interferían con la superconductividad, porque los electrones atascados solo permitían que los libres se movieran en ciertas direcciones.

Agregar suficiente oxígeno a los cupratos pareció hacer una gran diferencia, ya que los cupratos actuaron como semiconductores nuevamente, dijo el investigador del estudio JC Séamus Davis, físico principal del Laboratorio Nacional Brookhaven en Upton, Nueva York, y director del Departamento de Energía de los Estados Unidos. para la superconductividad emergente.

La razón por la que esto parece funcionar tiene que ver con la razón por la cual ocurre la superconductividad. Por lo general, los metales conducen la electricidad porque los átomos tienen capas externas de electrones incompletas. El cobre, por ejemplo, tiene un solo electrón en su capa externa, aunque esa cubierta tiene espacio suficiente para ocho electrones. Ese espacio extra permite que los electrones actúen como si estuvieran en un mar flotante. Conectar una batería impone un campo eléctrico en los electrones, que atraen a todos hacia el lado positivo del campo. La batería también suministra más electrones, que se mueven como una línea de conga a lo largo del cable. Hay resistencia, sin embargo, porque los electrones también rebotan al azar.

Sin embargo, si un metal se enfría lo suficiente, los electrones forman los llamados pares de Cooper. Los electrones están cargados negativamente, por lo que atraen las partículas cargadas positivamente, o iones, en el metal, dejando una carga positiva ligeramente más densa a medida que se mueven. Esa carga positiva atrae a otros electrones libres, lo que resulta en un par débilmente unido, uno detrás del otro.

Las reglas cuántico-mecánicas les permiten navegar a través del cobre sin interferencia. Pero no funciona cuando la temperatura es demasiado alta, porque los pares se rompen cuando los electrones se empujan alrededor. [Física loca: las pequeñas partículas más frescas de la naturaleza]

Un proceso llamado dopaje, en el cual los productos químicos se aplican a un metal u otra sustancia, agrega "agujeros" o espacios de carga positiva donde los electrones están ausentes, al material. El resultado es que los electrones en los cupratos tienen más espacio para moverse, y es por eso que, a bajas temperaturas, los electrones pegados, o "rayas", desaparecen.

Haciendo superconductores

Si bien el fenómeno puede sonar esotérico, es un paso importante para entender cómo hacer materiales superconductores, dijo Davis. "Hubo docenas de explicaciones en competencia. El resultado de nuestro experimento mostró que era una explicación simple", dijo Davis.

Todavía hay mucho trabajo por hacer para elevar las temperaturas de los superconductores. El experimento del equipo de Brookhaven se realizó a 4 grados Kelvin, o alrededor de 450 grados F (menos 268 grados C), muy por debajo del límite teórico. Habrá que hacer más experimentos con cupratos dopados a temperaturas más altas. Dicho esto, Davis señala que si un superconductor pudiera funcionar a la temperatura del nitrógeno líquido, a diferencia del helio líquido, eso reduciría mucho los costos.

Además, saber que se debe evitar la formación de "rayas" puede guiar a los ingenieros y científicos a elegir en qué sustancias concentrarse y cómo aumentar aún más la temperatura de los superconductores. "Una vez que los científicos de los materiales saben cuál es el objetivo, pueden trabajar para lograrlo", dijo Davis.

Incluso con este nuevo hallazgo, los superconductores aún tienen misterios. Aunque el grupo de Davis ha encontrado una manera de mitigar el fenómeno de la formación de bandas, gran parte del mecanismo subyacente aún no está claro.

Yang He, un doctorando en la Universidad de Harvard, se encuentra entre un grupo de científicos que también estudian superconductividad. Dijo que en sus hallazgos, una fase en la que los electrones son parcialmente conductores y parcialmente aislantes, llamado pseudogap, parece evolucionar suavemente sin importar lo que estén haciendo los electrones en el material. Además, los electrones de la fase de pseudogap también parecen participar en la superconductividad. "De alguna manera, los electrones están haciendo dos cosas", dijo.

El estudio aparece en la edición del 9 de mayo de la revista Science.

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