El secreto de la superconductividad a alta temperatura en cupratos

No, yo no atesoro el secreto. Lo siento. Nadie conoce aún el secreto de la superconductividad de alta temperatura en cupratos (compuestos de óxido de cobre), descubierta hace 25 años. Sin embargo, dos artículos recientes, uno en Nature y otro en Science, apuntan a que el secreto está en explicar el diagrama de fase electrónica genérico para los cupratos mostrado en la figura de arriba. Los jóvenes que sueñen con desvelar este secreto deben aprenderse bien este diagrama de fase y todos sus detalles. Paul Michael Grant afirma en Nature que todo apunta a que el secreto se oculta en este diagrama de fase genérico que ha costado 25 años reconstruir. ¿Qué relación hay entre el estado superconductor y el punto crítico cuántico (g* en la figura)? ¿Cómo es posible que el estado superconductor pueda aparecer tanto en un aislante de Mott como en un metal? ¿Se descubrirá pronto la respuesta? Nos lo cuenta Paul Michael Grant, “High–temperature superconductivity: The great quantum conundrum,” Nature 476: 37–39, 04 August 2011; que se hace eco de los artículos de K. Jin et al., “Link between spin fluctuations and electron pairing in copper oxide superconductors,” Nature 476: 73–75, 04 August 2011, y Rui-Hua He et al., “From a Single-Band Metal to a High-Temperature Superconductor via Two Thermal Phase Transitions,” Science 331: 1579-1583, 25 March 2011; el primero de ellos estudia el diagrama de fase electrónica para los cupratos dopados con átomos tipo p (aceptores de electrones o dadores de huecos) y el segundo el de los dopados con átomos tipo n (dadores de electrones). En opinión de Grant, la coincidencia entre los diagramas de fase electrónica de los cupratos en ambos casos oculta la clave para entender la superconductividad de alta temperatura.

Quizás quieras una explicación de la figura, no soy experto en física del estado sólido, pero trataré de aclararla un poco. La figura muestra lo que se cree que es el diagrama de fase electrónica genérico de un cuprato (superconductor basado en óxido de cobre); estos materiales cuando no son superconductores se comportan como perovskitas. El diagrama de fase electrónica es parecido a un diagrama de fase convencional que representa los diferentes estados de un material. El diagrama de fase convencional tiene en el eje vertical la presión y en el horizontal la temperatura; presenta puntos triples (en los que coexisten los estados sólido, líquido y gaseoso) y puntos críticos (clásicos) en los que las propiedades que separan dos fases se diluyen (en el caso del agua, la curva que separa las fases de vapor y de líquido se detiene en un punto crítico más allá del cual el agua se comporta como un fluido supercrítico que tiene propiedades tanto de los líquidos como de los gases).

En el diagrama de fase electrónica, el eje vertical muestra la temperatura (T) y el horizontal la densidad de carga eléctrica local (g), cuyo origen es el dopado del material (también puede ser la presión a la que está sometido). Según la teoría de bandas para explicar la conductividad de los sólidos, los cupratos deberían ser siempre metales, pero no lo son, también pueden ser aislantes antiferromagnéticos de Mott, en los que los cationes (átomos) metálicos adyacentes tienen espines opuestos. La superconductividad de alta temperatura se descubrió al dopar estos materiales con un metal tipo p, que introduce huecos en su estructura de bandas, destruyendo el orden antiferromagnético y creando dos estados de conducción, uno normal y otro superconductor. También ocurre cuando se dopan con un metal tipo n, que introduce electrones en lugar de huecos.

Retornando a la figura. Los estados que se observan en este diagrama genérico para un cuprato son, de izquierda a derecha y alta temperatura: un aislante antiferromagnético tipo Mott (azul claro); un estado (morado) en el que los portadores de mueven (conducen) pero “recuerdan” su origen antiferromagnético (aislante), por lo que en lugar de un salto (gap) entre las bandas de conducción y valencia aparece un “pseudosalto” (pseudogap); finalmente, un estado metálico conductor (rosa), que pasa de tener una dependencia de la resistencia eléctrica (R) proporcional a la temperatura, a una dependencia proporcional a la temperatura al cuadrado. A temperatura nula, en el cero absoluto, de izquierda a derecha, conforme g crece, el material pasa de ser aislante a ser conductor al atravesar un punto crítico cuántico (g*). El régimen superconductor (verde) contiene al punto crítico cuántico y tiene frontera con todas las fases elecrónicas del material. Explicar cómo es esto posible permitirá desvelar el secreto de la superconductividad de alta temperatura. 

Según Grant, el secreto se encuentra oculto en la ecuación de Schrödinger para un sistema de muchos cuerpos (electrones y núcleos) en interacción, incluyendo el efecto del espín. La ecuación central de la “teoría de todo,” la teoría que describe toda la química, todo la física, toda la biología y todo lo que nos rodea. A partir de esta ecuación emergen la vida, el clima, los teléfonos móviles y la superconductividad de alta temperatura. El problema es que nadie puede resolver esta ecuación para un gran número de partículas (un número comparable al número de Avogadro).

Phil W. Anderson, Premio Nobel de Física 1977, el físico más creativo de toda la historia según el estudio bibliométrico del español José M. Soler [DOI], “el descubrimiento de la superconductividad de alta temperatura en un aislante antiferromagnético fue un afortunado accidente.” La fortuna también tendrá que estar de parte de quien descubra el secreto del diagrama de fase electrónica genérico de los cupratos.

3 pensamientos en “El secreto de la superconductividad a alta temperatura en cupratos

  1. Soy un tremendo ignorante en casi todo, porque me empeñé en saber de todo. Tengo un amigo ruso, magnífico Ingeniero y Científico, que fue torturado en Siberia y está muy desequilibrado, de tal manera que tiene ideas geniales o bien infantilmente erróneas. Por ejemplo: Si se situa un Catodo dentro de una bolsa de plastico metalizada por fuera y se aplica un gran voltaje positivo, respecto al Catodo, en un cierto momento la presion mecánica de los electrones hincha el globo en contra de la presión atatmosférica. Si la bolsa tiene la forma de un tubo de miles de Kilómetros de longitud y se le aplica una segunda diferencia de potencial. los electrones circulan por el interior del tubo con muy poca resistencia. Sus equaciones son aparentemente impecables. Se supone que el choque entre electrones es elástico y también contra las paredes.
    Me costó mucho demostrarle que el primer supuesto era falso. La bolsa no se hincha por el gas de electrones. Hay un error en la definición del efecto del Campo Eléctrico. Pero me pregunto: En un largo tubo de paredes rígidas, lleno de un gas de elecrones. ¿Se produciría esa quasisuperconductividad, como la llama mi amigo ruso?.
    NO creo que haya acertado, pero me gustaría que alguien me demostrara que la Quasisuperconductividad electrónica es falsa.
    Melchor Duran

  2. Se me olvidó decir que, ante mi objeción de que habria muchas pérdidas por Bemmsthralung, él calcula que son muy pequeñas.
    Melchor Dura

Los comentarios están cerrados.