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Magnetismo y Superconductores de Alta Temperatura

30/03/2016 -
SINC

Imagen del cuprato estudiado (izq.), mostrando la región donde se encuentran los defectos (flecha amarilla). Cada punto brillante de la imagen muestra una columna de átomos y en ese plano es donde se encuentran las vacantes de cobre (los agujeros muestran la ausencia de átomos de cobre). Sobreimpuesta se ve la región donde aparece el ferromagnetismo. A la derecha, modelo de la estructura del superconductor en la región enmarcada. Solo los átomos de cobre y oxígeno de alrededor de las vacantes tienen comportamiento magnético (los marcados en amarillo).  / Sincrotrón ALBA

Los superconductores son materiales sin resistencia eléctrica. Esto quiere decir que pueden conducir electricidad sin perder energía. Sin embargo, para mantener estas propiedades deben estar a temperaturas extremadamente bajas (cerca del cero absoluto, a -273˚C). En 1986, se descubrió que los óxidos de cobre, también llamados cupratos, podían mantener su estado de superconducción por encima de los -135 ˚C, temperatura compatible con el nitrógeno líquido y, por lo tanto, un sistema más eficiente ya que no requiere la utilización de helio líquido. 

Estos materiales han sido uno de los temas más estudiados en la ciencia de materiales en los últimos 30 años pero, todavía hoy, hay aspectos desconocidos. Por ejemplo, se creía que la superconductividad y el magnetismo eran fenómenos excluyentes. Ahora, un grupo de investigadores del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB–CSIC), ha descubierto la existencia de defectos con comportamientos ferromagnéticos en uno de estos cupratos. Este descubrimiento ayuda no solo a entender mejor los misterios de estos materiales sino también a mejorar sus propiedades.

Las imperfecciones del cuprato superconductor tienen un magnetismo especial que puede determinar su funcionalidad práctica

Combinando diferentes técnicas, incluido el uso de los rayos X del Sincrotrón ALBA (cerca de Barcelona) han sido capaces de identificar este nuevo comportamiento magnético y asociarlo a un nuevo tipo de defecto, un conglomerado de vacantes de átomos de cobre y oxígeno. Conocer mejor y controlar sus propiedades permitirá mejorar las propiedades de los superconductores en presencia de campos magnéticos, ya que estos defectos pueden anclar los vórtices, es decir, las líneas de campo magnético que penetran el superconductor permitiendo generar grandes campos magnéticos inaccesibles para otras tecnologías. Las imperfecciones tienen un magnetismo especial que puede determinar su funcionalidad práctica.

Para entender la compleja naturaleza de estos materiales, los investigadores han combinado distintas técnicas. Las imágenes de microscopía electrónica de barrido y transmisión (STEM), por ejemplo, permitieron observar y caracterizar los defectos del material. Estos resultados fueron validados por cálculos teóricos, que predijeron la presencia de momentos magnéticos con ordenación ferromagnética alrededor de los defectos observados experimentalmente.

Finalmente, en la línea de luz BOREAS del Sincrotrón ALBA, la denominada espectroscopia de dicroísmo magnético circular (XMCD) fue clave para demostrar la presencia de momentos magnéticos en el cobre. Los resultados se han publicado en la revista Advanced Science.

El futuro de los superconductores a alta temperatura

El objetivo de los investigadores es continuar explorando las propiedades de estos materiales con el fin de diseñar defectos nanométricos que permitan fijar los vórtices en el interior de estos materiales, consiguiendo así que sean más eficientes en presencia de campos magnéticos fuertes. El ICMAB tiene una larga experiencia en superconductores, y busca conocer las propiedades físicas de los superconductores de alta temperatura, su desarrollo y su integración en sistemas de energía.

“Nuestros resultados conectan un comportamiento magnético a escala atómica –demostrado con los análisis realizados en el sincrotrón– con la estructura atómica y química a escala nanométrica, obtenida con microscopía electrónica, ambos confirmados por cálculos teóricos", señala Jaume Gazquez, uno de los investigadores del estudio, que concluye: "Esta investigación presenta nuevos aspectos físicos y observaciones sorprendentes en uno de los compuestos que más se han estudiado en la historia de la ciencia de materiales desde su descubrimiento en el año 1986”.