Los físicos de partículas también son cazatesoros de antiguos naufragios

Dibujo20131107  lead ingots from 2000-year-old Roman wrecks - science mag
Mucha gente no lo sabe, pero los físicos de partículas dedicados a la búsqueda de la materia oscura buscan con tesón en los restos de antiguos naufragios unos tesoros de gran valor; bueno, de gran valor para ellos, pues el resto de los cazatesoros no los valoran en demasía, pues buscan el plomo utilizado como lastre en los barcos hundidos hace más de 2.000 años. Los físicos de CDMS (Cryogenic Dark Matter Search) en la mina de Soudan, Minnesota, y CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events) en L’Aquila, Italia, se encuentran con un problema, a los arqueólogos submarinos no les gusta que haya que fundir lingotes de plomo de hace 2.000 años, aunque sea para construir blindajes contra la radiación (el plomo actual es radiactivo porque tiene pequeñas cantidades de plomo-210, isótopo radiactivo que tiene una vida media de 22,3 años). ¿Moralmente es correcto fundir objetos de plomo que forman parte del pasado de la humanidad? Por el momento no hay mucho debate, pero quizás pronto lo haya. Nos lo cuenta “Particle Physicists Seek a Roman Shield,” News of the Week, Science Science 342: 540-541, 01 Nov 2013, que se hace eco de Elena Pérez-Alvaro (Univ. Birmingham, GB), “Experiments on Particle Physics Using Underwater Cultural Heritage: The Dilemma,” Rosetta 13: 40-46, 2013 [PDF].

PS: Estos detectores se instalan en laboratorios subterráneas bajo montañas para protegerlos de la radiación exterior. En los experimentos como tales se utilizan blindajes de plomo contra la radiación. El problema son las radioimpurezas del blindaje y los materiales que componen los detectores (sobre todo la radioactividad beta, que produce neutrinos indeseados). Se puede utilizar un modelo optimizado de la radiactividad de fondo, pero en los experimentos criogénicos todavía no se conocen buenos modelos, por lo que conviene utilizar materiales con pocas radioimpurezas.

Superconductividad observada en capas biatómicas de plomo

Dibujo20090507_Pb_layers_over_substrate_where_superconductivity_is_BCS_like

Fotografía por microscopio de efecto túnel de una capa biatómica de plomo superconductora a baja temperatura. (C) Science

Siempre he pensado que el secreto de la superconductividad de alta temperatura es la propagación de electrones formando pares de Cooper en las capas monoatómicas que forman dichos materiales. Pensarlo es muy bonito, pero ¿existen  los pares de Cooper en capas monoatómicas? Físicos tejanos han demostrado experimentalmente que capas biatómicas de plomo entre 3.4 y 7.5 grados Kelvin son superconductoras por el mecanismo convencional (BCS), es decir, existen pares de Cooper en dichas capas. No se comportan exactamente como los pares de Cooper en un sólido cristalino, ya que les influye mucho el substrato sobre el que están depositadas las capas ultrafinas de plomo. ¿Podrá este comportamiento “diferenciado” permitir explicar el comportamiento de los superconductores de alta temperatura? Es pronto todavía para afirmar nada al respecto, pero en mi opinión es una sorpresa para los especialistas el comportamiento observado para los pares de Cooper. Los teóricos tendrán que darle “al coco.” Como siempre, el experimento guiando a la teoría hacia el conocimiento sobre la realidad. El artículo técnico es Shengyong Qin, Jungdae Kim, Qian Niu, Chih-Kang Shih, “Superconductivity at the Two-Dimensional Limit,” Science Express, Published Online April 30, 2009 . En mi opinión personal este artículo dará mucho que hablar. Tiempo al tiempo.

PS: El artículo ya ha aparecido en Science 324: 1314-1317, 5 Junio 2009. La siguiente figura (compuesta de 2 figuras presentadas en dicho artículo) resume el resultado más importante obtenido. La figura de la izquierda muestra la temperatura de transición (a la que el material se vuelve superconductor) en funció del número de capas monoatómicas. Para más de 5 capas es prácticamente constante, crece un poco para 4 capas (no hay dato para 3 capas) y es mucho más baja para 2 capas. ¿Por qué la temperatura crítica decrece conforme el número de capas decrece? Los autores no lo saben. Hemos de recordar que este material de 2 capas monoatómicas se encuentra encima de un substrato (material no superconductor a ninguna temperatura). Los autores creen que dicho material puede influir. Habrá que esperar a simulaciones por ordenador o a nuevos experimentos con otros substratos para conocer en detalle este efecto. La figura de la derecha muestra la curva teórica según la teoría convencional de la superconductividad (BCS) para el el salto (gap) en conductividad del material en función de la temperatura. Se ve claramente que dicha teoría explica perfectamente el comportamiento observado, verificando que la superconductividad observada es completamente convencional. 

Dibujo20090605_Left_Superconducting_transition_temperature_function_film_thickness_Right_Fitting_BCS_temperature-dependent_superconducting_gap