Misterio de la Superconductividad: Científicos Desafían una Teoría de 50 Años sobre el Comportamiento de los Electrones
Un reciente estudio desafía una teoría de 50 años sobre el comportamiento de los electrones, planteando nuevas preguntas sobre la superconductividad. La superconductividad, ese fenómeno en el que ciertos materiales conducen electricidad sin pérdida de energía, promete revolucionar la tecnología, desde redes eléctricas ultraeficientes hasta dispositivos cuánticos de vanguardia.
Un estudio reciente publicado en Physical Review Letters por investigadores del Instituto de Ciencias de Materiales y Energía de Stanford (SIMES) en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía, ofrece nuevas perspectivas sobre uno de los enigmas más persistentes del campo: la superconductividad de alta temperatura en cupratos. Este trabajo se basa en hallazgos de un estudio anterior de SLAC, donde los investigadores lograron dopar una cadena atómica unidimensional de cupratos.
Los investigadores ahora presentan evidencia adicional de que el modelo de Hubbard, el marco teórico más utilizado para describir interacciones electrónicas fuertes en materiales cuánticos, no logra capturar completamente el comportamiento de los electrones en los cupratos, incluso en versiones simplificadas unidimensionales de estos sistemas.
«Entender qué causa la superconductividad de alta temperatura en cupratos es un problema que lleva décadas, y estamos construyendo sobre el trabajo de muchos grandes científicos aquí en SLAC y Stanford», dijo Jiarui Li, un becario postdoctoral de SLAC y autor principal del estudio. «Como becario postdoctoral, estoy emocionado de seguir empujando las fronteras de esta investigación.»
Cupratos y la Esperanza de Superconductores Prácticos
Típicamente, la superconductividad ocurre a temperaturas cercanas al cero absoluto, -273 grados Celsius o -459 grados Fahrenheit. Pero ciertos óxidos de cobre, conocidos como cupratos, mantienen su superconductividad a temperaturas que alcanzan -138 grados Celsius o -216.4 grados Fahrenheit – todavía frío, pero significativamente más cálido que el cero absoluto. Es importante destacar que también es casi cien grados Fahrenheit más cálido que el punto de ebullición del nitrógeno líquido, lo que hace que los cupratos superconductores sean prácticos para aplicaciones más amplias en la tecnología.
Una comprensión de los mecanismos que hacen posible la superconductividad a temperaturas relativamente altas podría ser clave para desarrollar futuras aplicaciones y para fabricar nuevos materiales que puedan superconductir a temperaturas aún más altas, idealmente más cercanas a la temperatura ambiente.
Los científicos saben que la superconductividad ocurre cuando los electrones forman pares, llamados pares de Cooper, dentro de un material. La formación de estos pares en metales, como el mercurio y el plomo, se explica por una teoría ganadora del Premio Nobel conocida como la teoría BCS. Pero la estructura electrónica de los cupratos es fundamentalmente diferente a la de los metales y requiere una teoría diferente para explicar cómo se forman los pares de electrones superconductores.
Inicialmente, los científicos esperaban que el modelo de Hubbard, con su demostrada capacidad para describir fuertes correlaciones entre electrones, pudiera explicar cómo funciona la superconductividad de alta temperatura en los cupratos. Pero esta suposición no estaba probada, y la validación experimental ha resultado desafiante. La complejidad de los materiales cupratos y las complejidades matemáticas del modelo de Hubbard dificultan modelar el problema con precisión con las computadoras y algoritmos actuales.
Un Enfoque Unidimensional Aporta Nuevas Pistas
En 2021, los investigadores de SLAC encontraron una forma de simplificar el problema: examinar el comportamiento del cuprato en una dimensión en lugar de dos. Por primera vez, el equipo creó una cadena 1D de átomos de cuprato dopados con oxígeno y usó rayos X para estudiar el comportamiento de los holones – entidades similares a partículas que representan la carga de un electrón. Su análisis reveló que la atracción entre electrones vecinos era diez veces más fuerte de lo que predecía el modelo de Hubbard, lo que sugiere una fuerza atractiva adicional no capturada en el modelo de Hubbard.
Los investigadores se dieron cuenta de que si tal fuerza estuviera en acción, dejaría huellas reveladoras en otra propiedad importante de los electrones, conocida como espín. Para abordar el problema desde otro ángulo, idearon un nuevo experimento que les daría información sobre el comportamiento de pares de espinones. Al igual que los holones, los espinones son componentes similares a partículas que representan propiedades de un electrón; donde los holones representan la carga de un electrón, los espinones representan el espín de un electrón.
El equipo sintetizó una muestra 1D de cadenas de cuprato dopadas en la Fuente de Luz de Radiación Sincrotrón de Stanford en SLAC, luego la examinó utilizando la dispersión inelástica resonante de rayos X en la Fuente de Luz de Diamante en el Reino Unido y la Fuente de Luz Sincrotrón Nacional II en el Laboratorio Nacional de Brookhaven.
Una vez más, su análisis del comportamiento de los pares de espinones encontró que el modelo de Hubbard no predecía con precisión el comportamiento de los electrones. Sin embargo, cuando agregaron la misma fuerza atractiva adicional vista en el experimento anterior a sus cálculos, los datos se alinearon más estrechamente con sus observaciones experimentales.
Implicaciones y Próximos Pasos
«Nuestro trabajo ha demostrado que el modelo de Hubbard es inadecuado para explicar completamente la física del cuprato, incluso en un sistema 1D simple. Si el modelo ya ha fallado en el nivel 1D, no esperaríamos que se mantenga dentro del sistema 2D más complejo, donde ocurre la superconductividad de alta temperatura en los cupratos», dijo Wei-Sheng Lee, científico del personal de SLAC, y Zhi-Xun Shen, profesor de SLAC y Stanford, co-investigadores principales del estudio.
La pregunta ahora es qué mecanismo da lugar a la fuerza atractiva adicional. Thomas Devereaux, profesor de SLAC y Stanford e investigador de SIMES que supervisó la parte teórica de este trabajo, sospecha que se debe a una atracción entre electrones y vibraciones, conocidas como fonones, en la estructura de la red que mantiene unido el cuprato. Se necesita más experimentación para investigar esta idea, dijo Devereaux.
Este estudio, titulado “Dependencia del Dopaje de las Excitaciones de 2 Espinones en el Cuprato 1D Dopado Ba2CuO3+δ”, fue publicado en Physical Review Letters el 8 de abril de 2025.
Esta investigación está financiada en parte por la Oficina de Ciencia del DOE. La Fuente de Luz de Radiación Sincrotrón de Stanford en SLAC y la Fuente de Luz Sincrotrón Nacional II en el Laboratorio Nacional de Brookhaven son instalaciones de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE. Li recibió financiación del Programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por el Laboratorio de SLAC.
Profundizando en el Modelo de Hubbard y la Superconductividad en Cupratos
Para comprender mejor la importancia de este estudio, es crucial examinar más de cerca el modelo de Hubbard y su papel en la investigación de la superconductividad, especialmente en cupratos. El modelo de Hubbard es un modelo matemático simplificado que describe el comportamiento de electrones en sólidos. Se centra en dos factores principales: la energía cinética de los electrones mientras se mueven a través de la red del sólido y la interacción de Coulomb entre electrones en el mismo sitio atómico.
Este modelo ha sido ampliamente utilizado para estudiar sistemas de electrones fuertemente correlacionados, donde las interacciones entre electrones juegan un papel dominante en la determinación de las propiedades del material. Los cupratos, compuestos de óxido de cobre, son ejemplos notables de tales sistemas. Exhiben superconductividad a temperaturas relativamente altas, un fenómeno que desafía las explicaciones basadas en la teoría BCS convencional de la superconductividad.
La teoría BCS, que explica la superconductividad en metales convencionales, se basa en la formación de pares de Cooper mediada por fonones (vibraciones de la red). Sin embargo, en los cupratos, la superconductividad ocurre a temperaturas mucho más altas, y se cree que las interacciones electrónicas fuertes desempeñan un papel crucial en la formación de pares de Cooper. El modelo de Hubbard se propuso inicialmente como un marco para comprender este comportamiento, pero ha resultado difícil de resolver con precisión para materiales complejos como los cupratos.
El Desafío de la Dimensionalidad y la Simplificación a 1D
La complejidad del modelo de Hubbard aumenta significativamente con la dimensionalidad del sistema. Resolver el modelo en dos dimensiones (2D), que es relevante para los cupratos superconductores en capas, es computacionalmente intensivo y ha sido un desafío persistente. Para simplificar el problema, los investigadores han recurrido al estudio de sistemas unidimensionales (1D) que capturan algunos de los aspectos esenciales de las interacciones electrónicas fuertes al tiempo que son más tratables desde el punto de vista computacional.
El experimento realizado por los científicos de SLAC implicó la creación de cadenas 1D de cupratos y el estudio de su comportamiento utilizando espectroscopía de rayos X. Al reducir la dimensionalidad, pudieron obtener información valiosa sobre las interacciones entre electrones en estos materiales. Sus hallazgos revelaron que la atracción entre electrones vecinos en las cadenas 1D era significativamente más fuerte de lo que predecía el modelo de Hubbard. Esto sugiere que el modelo puede estar perdiendo un mecanismo importante responsable de la formación de pares de Cooper en los cupratos.
El hecho de que el modelo de Hubbard no logre predecir con precisión el comportamiento de los electrones incluso en un sistema 1D simplificado plantea serias dudas sobre su capacidad para explicar completamente la superconductividad de alta temperatura en cupratos 2D más complejos. Esto ha llevado a los investigadores a explorar modelos y mecanismos alternativos que puedan dar cuenta de la fuerza atractiva adicional observada en sus experimentos.
En resumen, este trabajo destaca las limitaciones del modelo de Hubbard en la descripción de la física de los cupratos y subraya la necesidad de nuevos enfoques teóricos para comprender el origen de la superconductividad de alta temperatura. Los hallazgos de los investigadores de SLAC proporcionan información valiosa que podría conducir a avances en la búsqueda de superconductores a temperatura ambiente, un objetivo que revolucionaría muchas tecnologías y transformar la forma en que usamos y conservamos la energía.
