Científicos de Argentina y Francia concretaron una hazaña en la física de vórtices de superconductores

Científicos de Argentina y Francia concretaron una hazaña en la física de vórtices de superconductores

Por primera vez se consiguió tomar fotografías de miles de vórtices en un tipo de material superconductor en una fase esquiva de observar. El artículo de investigadores argentinos y franceses en el que se reporta este logro fue publicado en la revista Communications Physics Nature. Se trata de una investigación pionera en el campo experimental de la física de la materia condensada.

Los átomos se ordenan y desordenan en la naturaleza generando distintos estados de la materia, en los que se manifiestan distintas fases. Las mismas son estudiadas en detalle por físicos, químicos y otros científicos, en busca del “conocimiento por el conocimiento mismo” y también de potenciales aplicaciones.

En el campo de la materia condensada, los físicos estudian, por ejemplo, las denominadas fases “vítreas” o vidriosas del estado sólido de vórtices en materiales superconductores. Sus propiedades han sido teorizadas en detalle desde la década de 1970 pero la observación de algunas de las fases de vórtices predichas es un gran desafío experimental.

En un trabajo publicado en Communications Physics Nature, investigadores de Argentina y Francia comunicaron los resultados de una investigación sobre la “materia de vórtices” nucleada en una muestra de un material superconductor “tipo II” que se denomina “Bismuto-2212”. En esa muestra, única en el mundo, estudiaron la fase vidriosa del material, que es una fase intermedia entre los sólidos ordenados y los líquidos.

¿Qué son los superconductores? Son materiales que transportan la electricidad de forma perfecta y por ello son muy valorados por su potenciales aplicaciones. En el caso de los superconductores “tipo II” se los llama así porque permiten el paso de campo magnético en forma de tubos de flujo magnético llamados vórtices (a diferencia de los “tipo I” que no lo permiten). Los vórtices tienen la forma de “espaguetis” y se organizan en redes.

“En nuestro artículo, reportamos que el vidrio de vórtices, lejos de ser una fase desordenada como se planteaba desde la teoría, consiste en una estructura con una baja densidad de defectos, pero tal que está fracturada en cristalitos con cientos de vórtices, cada uno de ellos con distintas orientaciones”, destacó Fasano, quien es investigadora del CONICET en el Laboratorio de Bajas Temperaturas del CAB y que lideró esta investigación.

“Sería como si recortáramos una estructura más o menos hexagonal en pedazos con 100 vórtices y luego pegáramos los pedazos o cristalitos con distintas orientaciones para formar un mosaico. Además, mostramos que en el volumen de la muestra no se produce una pérdida significativa del orden que se observa en la superficie de la misma”, agrega Fasano, que es docente en el Instituto Balseiro, dependiente de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA) y la Universidad Nacional de Cuyo (UNCUYO).

El doctor en Física Thierry Giamarchi, que es un referente mundial en la física de superconductores y que no participó en esta investigación, destacó: “Es un hermoso artículo, con una excelente combinación de un conjunto de notables técnicas experimentales y resultados, y de un análisis teórico impecable”.

Giamarchi, que es profesor e investigador en la Universidad de Ginebra, agregó que este trabajo provee pistas invaluables para comprender la física de la fase del vidrio de vórtices, que comparó con un rompecabezas. “Las observaciones y el análisis teórico de estas observaciones han demostrado que algunos postulados teóricos de cómo se debería comportar esta fase simplemente no son coherentes con el experimento”, comentó vía correo electrónico al Área de Comunicación del Instituto Balseiro.

Más de medio siglo después

Los vórtices en superconductores se estudian desde fines de la década de 1950, cuando Alexei Abrikosov, Premio Nobel de Física, propuso teóricamente su existencia. Experimentalmente comenzaron a tomarse fotos de los vórtices una década después: en 1967, U. Essmann y H. Traüble tomaron la primera instantánea de la materia de vórtices superconductores aplicando una técnica que se llama “decoración magnética” y utilizando un microscopio electrónico.

“Esa misma técnica de decoración magnética utilizada por Essman y Traüble es la que utilizamos en nuestro trabajo para tomar fotografías de la materia de vórtices superconductores. Consiste en evaporar partículas muy diminutas de hierro cerca del superconductor, que son atraídas a las posiciones de los vórtices que concatenan flujo magnético y así ‘decoran’ las posiciones de los vórtices”, explicó Fasano.

“Luego podemos tomar fotos con un microscopio electrónico, ya que los vórtices están típicamente separados una distancia de micrómetros para las densidades en que se aplica esta técnica, y así se obtiene una foto de la estructura de los vórtices en el material superconductor”, detalló la investigadora. Y explicó que generar las condiciones experimentales para controlar esa situación es algo complejo porque es necesario reducir la temperatura con refrigeración mediante líquidos criogénicos.

Alejandro Kolton, investigador del CONICET en el Grupo de Teoría del Sólido del CAB y coautor del citado artículo, agregó: “La mayor dificultad consiste en que se debe utilizar una técnica que permita visualizar las posiciones de los vórtices, con resolución de micrómetros, en grandes campos de visión de dimensiones del orden del milímetro”.

Kolton, que también es egresado y docente del Balseiro, destacó que esas imágenes extendidas son necesarias para hacer una comparación cuantitativa con las predicciones teóricas. Hasta ahora, sólo se habían publicado trabajos en los que se reportaron fotografías del vidrio de vórtices con 100 vórtices y sólo en la superficie de la muestra.

“Nos propusimos estudiar las propiedades estructurales del vidrio de vórtices para grandes campos de visión de miles de vórtices tanto en la superficie como el volumen de las muestras”, detalló Fasano. Para lograrlo, combinaron la técnica de decoración magnética con la de difracción de neutrones de bajo ángulo y llevaron adelante experimentos con monocristales superconductores grandes, de tamaño milimétrico, ya que “de otro modo, la señal en la fase del vidrio de vórtices es muy débil como para poder sacar conclusiones”.

Los experimentos de esas características pueden realizarse sólo en laboratorios de haces de neutrones que son grandes facilidades de consorcios de países. Los experimentos de neutrones realizados por el equipo liderado por Fasano fueron realizados en el Institut von Laue-Langevin de Grenoble, Francia. En un futuro cercano también se podrán realizar experimentos de este tipo en Argentina, cuando se inaugure el proyecto del Laboratorio Argentino de Haces de Neutrones, el LAHN en el reactor “RA10” de la CNEA.

La irradiación con electrones a baja temperatura fue realizada por un colaborador del equipo de Fasano y Kolton: Marcin Konczykowski, en la École Polytechnique de Palaiseau, Francia. Adicionalmente, para realizar los estudios de difracción de neutrones de bajo ángulo utilizaron una muestra milimétrica. “Esta muestra es única en el mundo y fue crecida en Siberia, Rusia, y se encuentra en poder de nuestro colaborador francés y experto en difracción de neutrones, Alain Pautrat”, detalló Yanina Fasano.

De Argentina, participaron investigadores y estudiantes de doctorado o posdoctado del Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET) que trabajan en el Centro Atómico Bariloche (CAB) y el Instituto Balseiro. También participaron del trabajo: investigadores de la Universidad Nacional de San Luis y el Instituto de Física Aplicada del CONICET en San Luis; y, de la Universitat Paris-Saclay, el Laboratoire des Solides Irradiés, la École Polytechnique, el Institut Laue-Langevin y el Laboratoire CRISMAT-EnsiCaen, de Francia. Por Laura García Oviedo / Área de Comunicación del Instituto Balseiro

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