El método de fabricación podría facilitar el descubrimiento de materiales.

• El equipo de Harvard dirigido por Philip Kim innova en superconductores de alta temperatura utilizando cupratos.
• Desarrollo del primer diodo superconductor del mundo. computación cuántica.
• Supercorriente direccional demostrada y control de estados cuánticos en BSCCO.

Los superconductores han intrigado a los físicos durante décadas. Pero estos materiales, que permiten un flujo de electrones perfecto y sin pérdidas, generalmente sólo presentan esta particularidad de la mecánica cuántica a temperaturas tan bajas como algunos grados más. cero absoluto – hasta el punto de hacerlos poco prácticos.

Un equipo de investigación dirigido por Philip Kim, profesor de física y física aplicada en Harvard, ha demostrado una nueva estrategia para fabricar y manipular una clase ampliamente estudiada de superconductores de alta temperatura, llamados cupratos, allanando el camino para la ingeniería de nuevas formas inusuales de superconductividad en áreas previamente inaccesibles. materiales.

Utilizando un método único para fabricar dispositivos de 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 hace 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 dependen de fenómenos mecánicos que son efímeros y difíciles de mantener.

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 al estudio de materiales exóticos», dijo Kim.

Los cupratos son óxidos de cobre que hace décadas sacudieron el mundo de la física al demostrar que se convierten en superconductores a temperaturas mucho más altas de lo que los teóricos creían posible, siendo «más alta» un término relativo (el récord actual para un superconductor de cuprato es -225). Fahrenheit). Pero manipular estos materiales sin destruir sus fases superconductoras es extremadamente complejo debido a sus complejas 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 sin aire para manipular cristales criogénicos en argón ultrapuro, Zhao diseñó una interfaz limpia entre dos capas extremadamente delgadas de óxido de cobre, cuprato, bismuto, estroncio y calcio, apodada BSCCO (“bisco”). BSCCO se considera un superconductor de “alta temperatura” porque comienza a superconducir a alrededor de -288 grados Fahrenheit (muy frío para los estándares prácticos, pero sorprendentemente alto entre los superconductores, que normalmente necesitan enfriarse a alrededor de -400 grados).

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 en un giro de 45 grados, como un sándwich de helado con las rebanadas torcidas, conservando la superconductividad en la frágil interfaz.

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

«Es un punto de partida para estudiar fases topológicas, que presentan estados cuánticos protegidos de imperfecciones», dijo Zhao.

Referencia: “La simetría de inversión del tiempo 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 ya han realizado cálculos teóricos precisos. predicho el comportamiento del superconductor cuprato en un amplia gama ángulos de torsión. Conciliar las observaciones experimentales también requirió nuevos desarrollos teóricos, llevados a cabo por Pavel A. Volkov de la Universidad de Connecticut.

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