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Temperatura de transición

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Área de especialización - física

La temperatura de transición es la temperatura a la que una sustancia se vuelve superconductora. También se le llama temperatura crítica TC. designado.

Ver también: superconductores


A temperaturas tan altas, ningún material ha conducido electricidad sin resistencia: los investigadores de Mainz del Instituto Max Planck de Química y la Universidad Johannes Gutenberg observaron que el sulfuro de hidrógeno se vuelve superconductor a menos 70 grados Celsius, cuando la sustancia se expone a una presión de suspensión. 1,5 millones de bares. Eso corresponde a la mitad de la presión dentro de la tierra. Con sus experimentos de alta presión, los investigadores de Mainz no solo han establecido un récord de superconductividad a alta temperatura, sus hallazgos también apuntan a una nueva forma en la que la electricidad puede transportarse sin pérdidas a temperatura ambiente.

Fig.: El dispositivo utilizado para generar presiones extremadamente altas es increíblemente práctico. Los investigadores presionan la celda de metal junto con tornillos Allen. Solo los diamantes pueden soportar altas presiones. (Foto: T. Hartmann)

Los superconductores adecuados para el uso diario siguen siendo el sueño de muchos físicos del estado sólido. Hasta el momento, solo se conocen materiales que conduzcan la electricidad a muy bajas temperaturas sin resistencia eléctrica y por tanto sin pérdidas. Hasta ahora, las cerámicas especiales de cobre, las denominadas cupratos, han ocupado las primeras posiciones en términos de temperatura de transición. El récord para una cerámica de este tipo es de alrededor de menos 140 grados Celsius bajo presión de aire normal y menos 109 grados Celsius bajo alta presión. Una forma especial y no convencional de superconductividad ocurre en la cerámica. Para lograr la superconductividad convencional, anteriormente eran necesarios al menos menos 234 grados Celsius.

Un equipo dirigido por Mikhael Eremets, jefe de un grupo de trabajo en el Instituto Max Planck de Química, en colaboración con investigadores de la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz, ahora ha observado superconductividad convencional a menos 70 grados Celsius, en sulfuro de hidrógeno convencional (H.2S). Sin embargo, para romper la resistencia de la sustancia, que es gaseosa en condiciones normales, los científicos tuvieron que someterla a una presión de 1,5 megabars.

"Con nuestros experimentos hemos establecido un nuevo récord de temperatura a la que un material se vuelve superconductor", dice Mikhael Eremets. Además, su equipo ha demostrado experimentalmente por primera vez que existen superconductores convencionales con una alta temperatura de transición. Los cálculos teóricos tenían esto para H, entre otros2S ya estaba previsto. “Es muy prometedor buscar otros materiales en los que se produzca una superconductividad convencional a altas temperaturas”, dice el físico. "Teóricamente, no hay límite para la temperatura crítica de los superconductores convencionales, y nuestros experimentos dan motivos para esperar que exista superconductividad incluso a temperatura ambiente".

La presión extremadamente alta requerida para hacer H2Para hacer que S sea superconductor en grados menos comparativamente moderados, los investigadores crearon una cámara de presión especial de menos de un centímetro cúbico de tamaño. Con dos puntas de diamante laterales que actúan como yunques, puede aumentar constantemente la presión sobre la muestra. La celda está provista de contactos para medir la resistencia eléctrica de la muestra. En otra celda de alta presión, los investigadores también pueden examinar las propiedades magnéticas de un material, que también cambian con la temperatura de transición.

Después de que los investigadores llenaron sulfuro de hidrógeno líquido en una cámara de presión de este tipo, aumentaron gradualmente la presión en la muestra de alrededor de uno a dos megabars y también cambiaron la temperatura para cada presión. Al hacerlo, determinaron la temperatura crítica del material en mediciones tanto de la resistencia como de la magnetización. Las medidas de magnetización son más significativas porque un superconductor tiene propiedades magnéticas ideales.

Los científicos atribuyen el hecho de que el sulfuro de hidrógeno pierde su resistencia eléctrica a alta presión incluso a temperaturas relativamente altas a una propiedad del hidrógeno: los átomos de hidrógeno vibran en la red cristalina con la frecuencia más alta de todos los elementos porque el hidrógeno es el más liviano. Dado que las oscilaciones de la red cristalina median la superconductividad convencional, y cuanto más eficazmente, más rápido oscilan los átomos, los materiales con mucho hidrógeno tienen una temperatura de transición relativamente alta. Además, los enlaces fuertes entre átomos aumentan la temperatura a la que un material se vuelve superconductor. Ambas condiciones están en H3S se cumple, y exactamente esta conexión se forma a partir de H a alta presión2S.

Ahora Mikhael Eremets y su equipo están buscando materiales con temperaturas de transición aún más altas. Aumentar la presión sobre el sulfuro de hidrógeno más allá de 1,5 megabars no ayuda. Los físicos teóricos no solo han calculado esto, el equipo de Mainz ahora también lo ha confirmado experimentalmente. A una presión aún mayor, la estructura de los electrones cambia de tal manera que la temperatura de transición vuelve a caer lentamente.

“Un candidato obvio para una temperatura de transición alta es el hidrógeno puro”, dice Mikhael Eremets. “Uno espera que se convierta en superconductor a alta presión a temperatura ambiente”. Su equipo ya está experimentando con él, pero los experimentos son muy difíciles porque se requieren presiones de tres a cuatro megabars.

"Nuestra investigación sobre el sulfuro de hidrógeno muestra, sin embargo, que muchos materiales ricos en hidrógeno pueden tener una temperatura de transición alta", dice Eremets. Es posible encontrar un superconductor de alta temperatura, incluso sin alta presión, que merece este nombre cuando se compara con la sensación diaria de temperatura. Los investigadores de Mainz necesitan actualmente la alta presión para convertir materiales que tienen un efecto eléctricamente aislante, como el sulfuro de hidrógeno, en metales. "Puede haber polímeros u otros compuestos ricos en hidrógeno que pueden hacerse metálicos de otras formas y convertirse en superconductores a temperatura ambiente", dice el físico. Si se pudieran encontrar tales materiales, finalmente existirían: superconductores que pueden usarse para una amplia gama de aplicaciones técnicas.


Sorprende con superconductores de fullereno

Sin embargo, las temperaturas de transición típicas para los metales puros están por debajo de diez Kelvin, lo que hace necesario un enfriamiento complejo con helio líquido. La superconductividad es mucho más fácil de usar, es decir, con nitrógeno líquido, cuando la temperatura de transición supera los 77 Kelvin & # 8211 el ámbito de los superconductores de alta temperatura. Hasta 2001, solo los cupratos de óxido superaban este límite.

Pero en 2001 creció la familia de superconductores de alta temperatura. Sin embargo, los nuevos superconductores no son simplemente materiales nuevos que solo tienes que enfriar para que sean superconductores. Más bien, son componentes electrónicos en los que los requisitos previos para la superconductividad solo se crean cuando se aplica un voltaje externo.

Estos componentes están basados ​​en cristales C60Moléculas llamadas fullerenos o buckyballs. Estos cristales suelen ser aislantes. Sin embargo, si aplica un campo eléctrico fuerte, los portadores de carga se pueden inyectar en ellos y el material se vuelve conductor en una capa delgada & # 8211 el principio del transistor de efecto de campo (FET). Si enfría tal componente, la resistencia eléctrica desaparece por debajo de 52 Kelvin y se produce superconductividad en estos fullerenos dopados en campo.

Los cristales de C muestran un comportamiento similar60-Moléculas dopadas químicamente con átomos de metales alcalinos. Estos materiales se diferencian de los fullerenos dopados en campo principalmente en que los portadores de carga se proporcionan químicamente en lugar de aplicar un campo eléctrico. Se sabe de estos fullerenos dopados con álcali que su temperatura de transición depende de la distancia entre los C.60-Depende de las moléculas en la red cristalina: cuanto mayor es la distancia, mayor es la temperatura de transición. Los científicos atribuyen esto al hecho de que cuanto mayor es la distancia entre las moléculas, mayor es la denominada densidad de estados y, por tanto, el número de electrones que pueden contribuir a la superconductividad.

Por lo tanto, se sugirió que la temperatura de transición también se puede aumentar en los fullerenos dopados en campo si se puede aumentar la distancia entre las moléculas. Los experimentos correspondientes fueron realmente exitosos: mediante la intercalación de moléculas de cloroformo y bromoformo entre C.60-Las moléculas lograron alcanzar temperaturas de transición de hasta 117 Kelvin. Sin embargo, la estructura de estos cristales intercalados a bajas temperaturas y por tanto también su densidad de estados no se ha conocido hasta el día de hoy.

Esta pregunta es respondida por Robert Dinnebier de Stuttgart. Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido y siguió a sus colegas. Las investigaciones estructurales necesarias a bajas temperaturas se llevaron a cabo junto con Peter Stephens en el Fuente de luz sincrotrón nacional realizado en Brookhaven. Estos datos de medición permitieron a los investigadores de Stuttgart determinar con precisión la estructura cristalina de los fullerenos intercalados. La estrecha conexión interdisciplinaria de la física, la química y la teoría en el Instituto Max Planck demostró ser muy útil para la interpretación posterior de los resultados: los teóricos que trabajaron con Olle Gunnarsson aportaron la experiencia necesaria de su trabajo anterior sobre fullerenos dopados con álcali. datos estructurales para determinar la densidad de estados de los electrones en los fullerenos intercalados.

Para gran sorpresa de todos los científicos involucrados, este análisis mostró que el aumento observado en la temperatura de transición para el C se intercalaba con cloroformo y bromoformo60-Cristales & # 8211 contrariamente a las suposiciones anteriores & # 8211 no está relacionado con un aumento en la densidad de estados electrónicos. Martin Jansen, jefe del equipo de investigación, dice: "Esto significa que la densidad de estados no es el único parámetro importante para la superconductividad en los fullerenos dopados en el campo. Ahora se requiere la teoría para identificar aquellos efectos adicionales que realmente conducen a los observados aumento de la temperatura de transición. Esto podría abrir perspectivas completamente nuevas para el aumento sistemático adicional de la temperatura de transición de los superconductores de fullereno ".