Descubrimiento de la superconductividad bifásica en CeRh2As2
Una investigación encabezada por científicos del IMP de Dresde, entre quienes se encuentra el Físico venezolano Javier Landaeta, llevó al descubrimiento de un superconductor no convencional, cuyas extrañas propiedades podrían ayudar a comprender mejor la naturaleza de ese tipo de materiales y sus aplicaciones.
24. Septiembre 2021
Los materiales conductores han sido una pieza vital para el desarrollo tecnológico de la humanidad. Cualquier artefacto eléctrico o máquina depende de cables para funcionar, desde el sistema eléctrico que ilumina y calienta el hogar, hasta el metro, los automóviles y las industrias. Esto se permite debido a que los cables en su interior poseen materiales metálicos a través de los cuáles circula la electricidad.
Sin embargo, los conductores convencionales no son perfectos, y en su trayecto los electrones que pasan van perdiendo energía, la cual se disipa en forma de calor. A esta resistencia que ejerce el material al paso de la corriente eléctrica se le conoce como resistividad. Aquí es donde entra en juego la superconductividad. Descubierta en 1911 por el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes, es una propiedad que tienen estos materiales para reducir su resistividad en la medida que disminuye su temperatura.
Cuando estos materiales son sometidos por debajo de una temperatura crítica, pueden convertirse en superconductores. Por supuesto, no todos los materiales logran un estado superconductor perfecto, y algunos solo lo logran a temperaturas casi cercanas al cero absoluto (la menor temperatura posible para la ciencia). De esta manera es posible que los electrones se trasladen de manera armónica, conservando la totalidad de su energía de principio a fin.
Mientras un conductor ordinario tiende a quemarse al recibir una carga eléctrica mucho mayor a su capacidad, los superconductores pueden transferir enormes cantidades de energía sin pérdidas, lo que abre todo un abanico de posibilidades para crear máquinas mucho más potentes y eficientes.
Del mismo modo, los superconductores poseen una propiedad bastante característica, denominada efecto de Meissner, que consiste en la anulación total del flujo de los campos magnéticos en su interior, siendo expulsados al exterior. Esto permite, entre otros usos, que los imanes sean capaces de levitar al estar encima del superconductor. Este fenómeno ha sido aprovechado actualmente por los trenes de levitación magnética, los cuales alcanzan altísimas velocidades al estar suspendidos sobre los rieles sin tocarlos.
Mediante una investigación llevada a cabo por miembros del Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos en se descubrió la superconductividad bifásica en CeRh2As2. Una colaboración liderada por Seunghyun Khim y Christoph Geibel del departamento de Física de Materiales Cuánticos y Elena Hassinger del grupo de Física de Metales No Convencionales y Superconductores, con aportes de los grupos de Manuel Brando y Andy Mackenzie, ha descubierto dos hechos clave sobre el material. En primer lugar, CeRh2As2 tiene una de las relaciones de temperatura de transición de campo magnético crítico a superconductor más altas de cualquier superconductor conocido. En segundo lugar, a medida que se eleva el campo (cuando se aplica a lo largo de una dirección especial en relación con los ejes cristalinos), hay una transición clara entre dos parámetros de orden superconductores diferentes, lo que lleva a firmas en varias propiedades termodinámicas. En una colaboración internacional con los teóricos Daniel Agterberg de U. Wisconsin y Philip Brydon de U. Otago, demostraron además que esto puede entenderse en términos de una combinación especial de simetrías locales y globales que ocurren en CeRh2As2 pero no en ningún otro material superconductor descubierto hasta ahora. Se puede esperar que los hallazgos generen direcciones de investigación completamente nuevas.
La medición de la susceptibilidad magnética del material estuvo a cargo del físico Venezolano Javier Landaeta, quien se encuentra realizando sus estudios postdoctorales en el IMP de Dresde.
“El descubrimiento que tenemos es que logramos explicar que este efecto pasa y adicional tenemos una transición interna dentro del estado superconductor que cambia de una manera a otra, que revela un potencial muy importante, no solo en aplicaciones, sino en el entendimiento profundo del fenómeno”, comenta al respecto.
Landaeta utilizó para esto un susceptómetro construido por él, el cual es capaz de medir oscilaciones cuánticas. Sometió el material a temperaturas extremas cercanas al cero absoluto para activar su estado superconductor. En este caso, al tener una temperatura crítica de 0,26 grados Kelvin (°K), el científico llevó el CeRh2As2 hasta los 0,035 °K, equivalentes a -273.12 grados centígrados.
Reconoce que el hecho de tener una temperatura crítica tan baja lo hace poco atractivo para la industria, al no poseer una aplicación práctica. Sin embargo, reitera que lo importante es la observación de un fenómeno tan particular y cuya comprensión todavía no está del todo segura.
El trabajo de Landaeta al medir la susceptibilidad del material fue estudiar cómo se desarrollaba su efecto de Meissel. Para ello, indujo un campo magnético externo con el fin de sobrecargarlo y hacerle romper su estado de superconductividad. “Los campos magnéticos destruyen la superconductividad. Y parte de entender las propiedades de los superconductores es descifrar cómo es el proceso de destruir el estado superconductor con campo”, explica.
Para romper el estado de este superconductor en específico se requirió de una gran cantidad de energía debido a la intensidad de sus campos magnéticos. Al hacer esto, descubrió que de la fase en la que se encontraba el material emergió otra completamente nueva y no convencional. Lo normal, acota, es que los superconductores presenten siempre una sola fase, y solo conoce dos materiales más capaces de tener múltiples fases.
“Es un estado de la materia muy exótico, tan raro que no se entiende cómo puede pasar. Tenemos ideas a nivel científico de cómo esto puede pasar, pero no se entiende”, agrega.
Para poder apreciar el efecto de Meissel, es necesario que ocurra lo que denomina una transición entre fases. Por fases se entiende el estado de la materia, que comúnmente se suele asociar a sólido, líquido y gaseoso. La transición es el momento en que se pasa de un estado a otro, como cuando el agua se transforma en hielo o vapor. Sin embargo, durante el estado de superconductividad se pueden apreciar estados únicos donde se rompen las leyes convencionales de la física. Por ejemplo, se crean fases en las que las cargas iguales en lugar de repelerse se atraen. Aunque en algunos casos existen explicaciones a estas propiedades de los superconductores, ninguna de ellas aplica para el CeRh2As2.
