Investigadores del ICMAB-CSIC y el ALBA han encontrado una nueva fuente de magnetismo derivada de defectos puntuales a los óxidos de cobre superconductores de alta temperatura, demostrando la coexistencia de magnetismo y superconductividad. Los resultados se han publicado en Advanced Science.
Los superconductores son materiales sin resistencia eléctrica. Esto quiere decir que pueden conducir electricidad sin perder energía. Ahora bien, para mantener estas propiedades deben estar a temperaturas extremadamente bajas (cerca del cero absoluto, a -273ºC). En 1986, se descubrió que los óxidos de cobre, también llamados cupratos, podían mantener su estado superconductor por encima de los -135ºC, una temperatura compatible con el nitrógeno líquido y, por tanto, un sistema más eficiente que no requiere la utilización de helio líquido.
Estos materiales han sido los más estudiados en ciencia de materiales en los últimos 30 años pero, aún hoy, presentan 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 comportamiento ferromagnético en uno de estos óxidos de cobre. Este descubrimiento ayuda no sólo a entender mejor los misterios de estos materiales sino también a mejorar sus propiedades.
Combinando diferentes técnicas, incluidos los rayos X del Sincrotrón ALBA, 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 características permitirá mejorar las propiedades de los superconductores en presencia de campos magnéticos, ya que estos defectos pueden anclar los vórtices, las líneas de campo magnético que penetran el superconductor, permitiendo generar grandes campos magnéticos inaccesibles para otras tecnologías. Una vez más en ciencia de materiales se demuestra que las imperfecciones tienen un magnetismo especial que puede determinar su funcionalidad práctica.
Una combinación de técnicas avanzadas
Para entender la compleja naturaleza de estos materiales, los investigadores han combinado varias técnicas de caracterización en su estudio. Las imágenes de microscopía electrónica de barrido y transmisión (STEM) permitieron a los científicos observar y caracterizar los defectos presentes en el material.
Estos resultados fueron validados por cálculos teóricos, que a la vez 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 espectroscopia de dicroísmo magnético circular (XMCD) demostró la presencia de momentos magnéticos al cobre.
El futuro de los superconductores de 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 de esta forma que sean más eficientes en presencia de campos magnéticos fuertes.
El Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB - CSIC) tiene una larga experiencia en el ámbito de los superconductores -iniciada hace 25 años- dirigida a conocer las propiedades físicas de los superconductores de alta temperatura, el desarrollo y su integración en sistemas de energía.
"Este trabajo ha sido posible gracias a la experiencia combinada de los miembros del equipo. Nuestros resultados conectan el comportamiento magnético a escala atómica-demostrado el análisis llevado a cabo en el sincrotrón- con la estructura atómica y química, a escala nanométrica obtenida mediante la microscopía electrónica, ambos confirmados por cálculos teóricos. 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 1987 ", según Jaume Gazquez, uno de los investigadores de la investigación.
Artículo de referencia:
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