Harvard presenta un enfoque innovador para los superconductores de alta temperatura

El método de fabricación podría facilitar el descubrimiento de materiales.

• Un equipo de Harvard dirigido por Philip Kim innova en superconductores de alta temperatura utilizando cupratos.
• Desarrollan el primer diodo superconductor del mundo y avanzan computación cuántica.
• Demostración de supercorriente direccional y control sobre estados cuánticos en BSCCO.

Los superconductores han intrigado a los físicos durante décadas. Pero estos materiales, que permiten el flujo perfecto y sin pérdidas de electrones, normalmente muestran esta peculiaridad mecánico-cuántica sólo a temperaturas tan bajas (unos pocos grados más). cero absoluto – hacerlas impracticables.

Un equipo de investigación dirigido por el profesor de física y física aplicada de Harvard, Philip Kim, ha demostrado una nueva estrategia para crear y manipular una clase ampliamente estudiada de superconductores de temperatura más alta, llamados cupratos, allanando el camino para el diseño de formas nuevas e inusuales de superconductividad en tiempos anteriores. Sistemas inalcanzables. materiales.

Utilizando un método único de fabricación de dispositivos a baja temperatura, Kim y su equipo informan en la revista Ciencia un candidato prometedor para el primer diodo superconductor de alta temperatura del mundo (esencialmente, un interruptor que permite que la corriente fluya en una dirección) hecho de finos cristales de cuprato. En teoría, un dispositivo de este tipo podría impulsar industrias incipientes como la computación cuántica, que se basa en fenómenos mecánicos fugaces y difíciles de sostener.

Representación gráfica del superconductor de cuprato apilado y retorcido, con datos adjuntos en segundo plano. Créditos: Lucy Yip, Yoshi Saito, Alex Cui, Frank Zhao

«De hecho, los diodos superconductores de alta temperatura son posibles sin la aplicación de campos magnéticos y abren nuevas puertas de investigación hacia el estudio de materiales exóticos», dijo Kim.

Los cupratos son óxidos de cobre que, hace décadas, conmocionaron al mundo de la física al demostrar que se convertían en superconductores a temperaturas mucho más altas de lo que los teóricos habían creído posible, siendo “superior” un término relativo (el récord actual para un superconductor de cuprato es -225 Fahrenheit). Pero gestionar estos materiales sin destruir sus fases superconductoras es extremadamente complejo debido a sus intrincadas características electrónicas y estructurales.

Los experimentos del equipo fueron dirigidos por SY Frank Zhao, ex alumno de la Escuela de Graduados en Artes y Ciencias Griffin y ahora investigador postdoctoral en MIT. Utilizando un método de manipulación de cristales criogénico y sin aire en argón ultrapuro, Zhao diseñó una interfaz limpia entre dos capas extremadamente delgadas de óxido de cobre y cuprato de calcio y bismuto, apodado BSCCO (“bisco”). BSCCO se considera un superconductor de “alta temperatura” porque comienza a superconducir alrededor de -288 Fahrenheit (muy frío para los estándares prácticos, pero sorprendentemente alto entre los superconductores, que normalmente necesitan enfriarse a alrededor de -400).

Zhao primero dividió el BSCCO en dos capas, cada una de una milésima del ancho de un cabello humano. Luego, a -130, apiló las dos capas con un giro de 45 grados, como un sándwich de helado con obleas torcidas, manteniendo la superconductividad en la frágil interfaz.

El equipo descubrió que la supercorriente máxima que puede pasar sin resistencia a través de la interfaz es diferente según la dirección de la corriente. Fundamentalmente, el equipo también demostró control electrónico sobre el estado cuántico interfacial invirtiendo esta polaridad. Este control fue lo que les permitió fabricar un diodo superconductor conmutable de alta temperatura, una demostración de física fundamental que algún día podría incorporarse a una pieza de tecnología informática, como un bit cuántico.

«Este es un punto de partida para estudiar las fases topológicas, caracterizadas por estados cuánticos protegidos contra imperfecciones», dijo Zhao.

Referencia: “Simetría de inversión de tiempo que rompe la superconductividad entre superconductores de cuprato retorcidos” por SY Frank Zhao, Xiaomeng Cui, Pavel A. Volkov, Hyobin Yoo, Sangmin Lee, Jules A. Gardener, Austin J. Akey, Rebecca Engelke, Yuval Ronen, Ruidan Zhong, Genda Gu, Stephan Plugge, Tarun Tummuru, Miyoung Kim, Marcel Franz, Jedediah H. Pixley, Nicola Poccia y Philip Kim, 7 de diciembre de 2023. Ciencia.
DOI: 10.1126/ciencia.abl8371

El equipo de Harvard trabajó con sus colegas Marcel Franz de la Universidad de Columbia Británica y Jed Pixley de la Universidad de Rutgers, cuyos equipos habían realizado previamente cálculos teóricos que realizaron con precisión. esperado el comportamiento del superconductor cuprado en un amplia gama de ángulos de torsión. La conciliación de las observaciones experimentales también requirió nuevos desarrollos teóricos, realizados por Pavel A. Volkov de la Universidad de Connecticut.

La investigación fue apoyada, en parte, por la Fundación Nacional de Ciencias, el Departamento de Defensa y el Departamento de Energía.