La superconductividad se descubrió en 1911, pero sus propiedades y características aún no se han estudiado completamente. Una nueva investigación sobre nanocables está ayudando a comprender cómo se pierde este fenómeno.
El problema de mantener las bebidas frías en verano es una lección clásica de cambio de fase. Deben estudiarse, la sustancia debe calentarse y debe observarse el cambio en sus propiedades. Cuando llegue al llamado punto crítico, agregue agua o calor y observe cómo la sustancia se convierte en gas (o vapor).
Ahora imagine que ha enfriado todo a temperaturas muy bajas, tanto que todos los efectos térmicos se han ido. ¡Bienvenido a la realidad cuántica, donde la presión y los campos magnéticos no afectan la aparición de nuevas fases de ninguna manera! Este fenómeno se llama transición de fase cuántica. A diferencia de una transición convencional, una transición cuántica forma propiedades completamente nuevas, como la superconductividad (en algunos materiales).
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Si aplica voltaje a un metal superconductor, los electrones viajarán a través del material sin resistencia y la corriente eléctrica fluirá indefinidamente, sin disminuir la velocidad ni generar calor. Algunos metales se vuelven superconductores a altas temperaturas, lo que es importante en el caso de la transmisión de energía y el procesamiento de datos basado en superconductores. Los científicos descubrieron este fenómeno hace 100 años, pero el mecanismo de la superconductividad en sí sigue siendo un misterio, ya que la mayoría de los materiales son demasiado complejos para comprender la física de la transición de fase cuántica en detalle. Entonces, la mejor estrategia en este caso es concentrarse en aprender sistemas de modelos menos complejos.
Físicos de la Universidad de Utah han descubierto que los nanocables superconductores hechos de una aleación de molibdeno-germanio experimentan transiciones de fase cuántica de superconductor a metal ordinario cuando se colocan en un campo magnético ordinario a bajas temperaturas. Este estudio primero reveló el proceso microscópico por el cual un material pierde su superconductividad: un campo magnético rompe pares de electrones (pares de Cooper interactuando con otros pares del mismo tipo) y experimentan una fuerza de amortiguación de electrones no apareados en el sistema.
La investigación se detalla en una teoría crítica propuesta por Adrian Del Maestro, profesor asistente de la Universidad de Vermont. La teoría describe con precisión cómo la evolución de la superconductividad depende de la temperatura crítica, la magnitud del campo magnético y la orientación, el área de la sección transversal del nanoalambre y las características microscópicas del material del que está hecho. Esta es la primera vez en el campo de la superconductividad que todos los detalles de una transición de fase cuántica son predichos por la teoría, confirmados en objetos reales en el laboratorio.
“Las transiciones de fase cuántica pueden parecer muy exóticas, pero se observan en muchos sistemas, desde los centros de las estrellas hasta los núcleos atómicos, así como desde los imanes hasta los aislantes, dijo Andrey Rogachev, profesor asistente de la Universidad de Utah y autor principal del estudio. "Una vez que entendemos las vibraciones cuánticas en este sistema más simple, podemos hablar sobre cada detalle del proceso microscópico y aplicarlo a objetos más complejos".
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