Paso clave para desentrañar el misterio de los superconductores de alta temperatura.

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Aunque el fenómeno de la superconductividad (en el que algunos materiales pierden su resistencia eléctrica cuando son sometidos a temperaturas extremadamente bajas, cerca del Cero Absoluto) se conoce desde hace más de un siglo, la temperatura a la que dicho fenómeno aparece en los materiales probados hasta ahora ha seguido siendo demasiado baja como para usarlo en aplicaciones prácticas a gran escala.

El hallazgo de superconductores de “alta temperatura” en la década de 1980 (materiales que pueden perder su resistencia eléctrica a temperaturas tan “altas” como 140 grados centígrados bajo cero) hizo que se especulara sobre una posible oleada de nuevos descubrimientos que condujeran rápidamente a superconductores capaces de funcionar a temperatura ambiente. A pesar de la intensa labor de investigación realizada en esa dirección, es muy poco lo que se ha logrado averiguar sobre estos materiales en los años transcurridos desde entonces.

Todavía no hay consenso para forjar una única teoría que explique la superconductividad de alta temperatura. Recientemente, sin embargo, unos investigadores han encontrado una nueva forma de estudiar las ondas fluctuantes de densidad de carga, las cuales son la base de una de las principales teorías. Los investigadores creen que esto podría ayudar a conocer mejor la superconductividad de alta temperatura y tal vez conducir a nuevos hallazgos de superconductores a temperaturas más altas.

Explicar el fundamento esencial de la superconductividad de alta temperatura sigue siendo un problema difícil en la física. Pero un modo de intentar esclarecer este exótico estado de la materia es estudiar qué le sucede a estos materiales cuando están cerca de su temperatura de transición, el punto por debajo del cual se convierten en superconductores.

Experimentos anteriores habían mostrado que por encima de la temperatura de transición existe un estado peculiar en que el material comienza a comportarse de forma muy rara: Sus electrones actúan de maneras inusuales, algo que algunos físicos creen que es causado por un fenómeno vinculado a las ondas de densidad de carga. Aunque la densidad de electrones es uniforme en la mayoría de los conductores, en materiales con ondas de densidad de carga la densidad se distribuye en un patrón sinusoidal, de modo semejante a ondas en un estanque al que se ha tirado una piedra. Pero hasta el momento, sólo se han detectado tales ondas de densidad de carga en superconductores de alta temperatura sometidos a circunstancias especiales, tales como un nivel particular de dopaje (la introducción de átomos de otro elemento en su superficie).

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El nuevo método de los investigadores del MIT para observar el movimiento de las ondas de densidad en un material superconductor llevó a la detección de dos tipos diferentes de variaciones en esas ondas: Cambios en la amplitud, o intensidad, y cambios de fase. (Imagen: Cortesía de los investigadores)

Algunos investigadores han propuesto que estas ondas son difíciles de detectar en los superconductores de alta temperatura porque fluctúan con mucha rapidez, en cuestión de picosegundos (billonésimas de segundo), algo demasiado fugaz para ser percibido mediante técnicas convencionales.

Aquí es donde entra en escena el nuevo enfoque del equipo de Nuh Gedik y Fahad Mahmood, del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), en Cambridge, Darius Torchinsky del Instituto Tecnológico de California (Caltech), y Anthony Bollinger e Ivan Bozovic del Laboratorio Nacional de Brookhaven, en Upton, Nueva York, en Estados Unidos todas estas instituciones.

Este grupo ha dedicado años a perfeccionar métodos para estudiar el movimiento de los electrones mediante la estrategia de disparar contra ellos pulsos láser de sólo unos pocos femtosegundos (milbillonésimas de segundo), y detectar los resultados de esa acción recurriendo a un haz láser distinto.

Usando esta técnica, los investigadores han detectado ahora esas intrigantes ondas fluctuantes. O por lo menos las han detectado en el compuesto de cuprato con el que han hecho los experimentos, y que pertenece a la clase de materiales superconductores de alta temperatura que fue la primera en ser descubierta, en la década de 1980.

Estas mediciones muestran a ondas de densidad de carga fluctuando a un intervalo de sólo unos 2 picosegundos.

Quedaba pendiente otra cuestión: ¿Qué papel, de existir alguno, desempeñan estas ondas de densidad de carga en la superconductividad? ¿Ayudan o interfieren? Para responder a esta pregunta, los investigadores estudiaron el mismo material, con un dopaje óptimo, en el que se maximiza la temperatura de transición a la superconductividad. Y no han visto evidencia alguna de ondas de densidad de carga en esta muestra. Esto sugiere que las ondas de densidad de carga probablemente compiten con la superconductividad.

Sí queda pendiente de averiguar si este mismo fenómeno se puede observar en otros materiales superconductores de alta temperatura. La nueva técnica debería hacer posible aclarar la cuestión.

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