Investigadors de l’ICMAB-CSIC i l’ALBA han trobat una nova font de magnetisme derivada de defectes puntuals als oxids de coure superconductors d’alta temperatura, demostrant la coexistència de magnetisme i superconductivitat. El resultats s’han publicat a Advanced Science.
Els superconductors són materials sense resistència elèctrica. Això vol dir que poden conduir electricitat sense perdre energia. Ara bé, per mantenir aquestes propietats han d’estar a temperatures extremadament baixes (prop del zero absolut, a -273ºC). Al 1986, es va descobrir que els òxids de coure, també anomenats cuprats, podien mantenir el seu estat superconductor per sobre dels -135ºC, una temperatura compatible amb el nitrogen líquid i, per tant, un sistema més eficient que no requereix la utilització d’heli líquid.
Aquests materials han estat dels més estudiats en ciència de materials en els darrers 30 anys però, encara avui, hi ha aspectes desconeguts. Per exemple, es creia que la superconductivitat i el magnetisme eren fenòmens excloents.
Ara, un grup d’investigadors de l’Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB – CSIC), ha descobert l’existència de defectes amb comportament ferromagnètic en un d’aquests cuprats. Aquest descobriment ajuda no només a entendre millor els misteris d’aquests materials sinó també a millorar-ne les seves propietats.
Combinant diferents tècniques, inclosos els raigs X del Sincrotró ALBA, han estat capaços d’identificar aquest nou comportament magnètic i associar-lo a un nou tipus de defecte, un conglomerat de vacants d’àtoms de coure i oxigen. Conèixer millor i controlar les seves característiques permetrà millorar les propietats dels superconductors en presència de camps magnètics, ja que aquests defectes poden ancorar els vòrtex, les línies de camp magnètic que penetren el superconductor, permetent generar grans camps magnètics inaccessibles per altres tecnologies. Una vegada més en ciència de materials es demostra que les imperfeccions tenen un magnetisme especial que pot determinar la seva funcionalitat pràctica.
Una combinació de tècniques avançades
Per entendre la complexa naturalesa d’aquests materials, els investigadors han combinat vàries tècniques de caracterització en el seu estudi. Les imatges de microscòpia electrònica de rastreig i transmissió (STEM) van permetre els científics observar i caracteritzar els defectes presents en el material.
Aquest resultats van ser validats per càlculs teòrics, que alhora van predir la presència de moments magnètics amb ordenació ferromagnètica al voltant dels defectes observats experimentalment.
Finalment, a la línia de llum BOREAS del Sincrotró ALBA, l’espectroscòpia de dicroisme magnètic circular (XMCD) va demostrar la presència de moments magnètics al coure.
El futur dels superconductors d’alta temperatura
L’objectiu dels investigadors és continuar explorant les propietats d’aquests materials amb la finalitat de dissenyar defectes nanomètrics que permetin fixar els vòrtexs a l’interior d’aquests materials, aconseguint d’aquesta forma que siguin més eficients en presència de camps magnètics forts.
L’Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB – CSIC) té una llarga experiència en l’àmbit dels superconductors –iniciada fa 25 anys- dirigida a conèixer les propietats físiques dels superconductors d’alta temperatura, el desenvolupament i la seva integració en sistemes d’energia.
“Aquest treball ha estat possible gràcies a l’experiència combinada dels membres de l’equip. Els nostres resultats connecten el comportament magnètic a escala atòmica–demostrat a l’anàlisi dut a terme al Sincrotró- amb l’estructura atòmica i química, a escala nanomètrica obtinguda mitjançant la microscòpia electrònica, tots dos confirmats per càlculs teòrics. Aquesta recerca presenta nous aspectes físics i observacions sorprenents en un dels compostos que més s’han estudiat en la història de la Ciència de Materials des del seu descobriment l’any 1987”, segons Jaume Gazquez, un dels investigadors de la recerca.
Article de referència:
J. Gazquez, R. Guzman, R. Mishra, E. Bartolomé, J. Salafranca, C. Magén, M. Varela, M. Coll, A. Palau, S. M. Valvidares, P. Gargiani, E. Pellegrin, J. Herrero-Martin, S. J. Pennycook, S.T. Pantelides, T. Puig, X. Obradors “Emerging dilute ferromagnetism in high-Tc superconductors driven by point defect clusters” Advanced Science. DOI: 10.1002/advs.201500295