febrero 24, 2024

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Cree un líquido superconductor a partir del vacío utilizando campos magnéticos 100 veces más fuertes

Cree un líquido superconductor a partir del vacío utilizando campos magnéticos 100 veces más fuertes

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Configuración 3D típica en la fase de vórtice superconductor en el fondo del campo (hiper)magnético de aproximadamente 150 exatesla. Las superficies equipotenciales de los condensados ​​W superconductores se muestran en azul y rojo, y las superficies de los condensados ​​de Higgs se muestran en verde. Estas cantidades se muestran en las áreas complementarias. Crédito: Vladimir Joy, de Cartas de revisión física (2023). doi: 10.1103/PhysRevLett.130.111802

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Configuración 3D típica en la fase de vórtice superconductor en el fondo del campo (hiper)magnético de aproximadamente 150 exatesla. Las superficies equipotenciales de los condensados ​​W superconductores se muestran en azul y rojo, y las superficies de los condensados ​​de Higgs se muestran en verde. Estas cantidades se muestran en las áreas complementarias. Crédito: Vladimir Joy, de Cartas de revisión física (2023). doi: 10.1103/PhysRevLett.130.111802

El descubrimiento de la superconductividad hace más de un siglo cambió drásticamente nuestro mundo.

La historia comienza en 1911, cuando la física holandesa Heike Kamerlingh Onnes notó que la resistencia eléctrica del mercurio caía repentinamente a cero cuando se enfriaba a una temperatura de aproximadamente 4 K (aproximadamente 269 °C), un poco más fría que el punto de ebullición del líquido. Helio.

Las aplicaciones prácticas de este notable efecto se realizaron más tarde, en 1986, cuando se descubrió una clase de superconductores de alta temperatura. Estos materiales de alta temperatura tienen una temperatura crítica inferior al punto de ebullición del nitrógeno líquido, alrededor de -196°C, lo que reduce la complejidad y el coste de su operación.

Actualmente, es imposible sobreestimar las consecuencias beneficiosas del descubrimiento de la superconductividad. Este fenómeno está entrando gradualmente en nuestra vida cotidiana, aunque el papel único que desempeña no es evidente.

Las corrientes eléctricas continuas en materiales superconductores significan que no se pierde energía en los circuitos superconductores, que impulsan trenes maglev de alta velocidad que utilizan levitación magnética para reducir la fricción energética a casi cero.

El flujo de electricidad sin resistencia allana el camino para prometedores acumuladores de energía de respuesta rápida (almacenamiento de energía magnético superconductor) y sirve como núcleo de las máquinas de resonancia magnética (MRI) que se utilizan ampliamente en hospitales, instituciones médicas y centros de investigación.

La superconductividad se produce como resultado de la formación de pares de electrones unidos por vibraciones de red (fonones). A bajas temperaturas, estos pares de Cooper se condensan y forman una superposición coherente de estados, un condensado bosónico, que se mueve a través de la red cristalina sin dispersarse, lo que resulta en una resistencia eléctrica cero.

La condensación de pares de Cooper también expulsa campos magnéticos del superconductor, un fenómeno conocido como efecto Meissner, que no puede explicarse por la mera ausencia de resistencia eléctrica. La repulsión entre un campo magnético y la superconductividad es un sentimiento mutuo compartido por ambas partes, ya que el campo magnético destruye el estado superconductor si este último no puede repelerlo mediante el efecto Meissner.

La fuerza de los campos magnéticos involucrados es de aproximadamente cien Tesla para algunos superconductores de alta temperatura. Por el contrario, otros materiales superconductores no pueden resistir campos mucho más débiles, del orden de una fracción de un Tesla.

Para tener una idea de la fuerza del campo magnético en cuestión, un Tesla es la fuerza del campo magnético en un altavoz común y corriente. La resonancia magnética utiliza imanes en espiral superconductores que generan campos del mismo tamaño, hasta 2 Tesla, cuando una corriente eléctrica los atraviesa.

En resumen, se sabe que la superconductividad que exhiben algunos materiales es vulnerable a campos magnéticos fuertes.

Crédito: Maxim Chernodub

Ahora llegamos al controvertido tema del trabajo. publicado en Cartas de revisión física Del cual es coautor: ¿Podemos hacer un superconductor sin usar ningún material simplemente usando un campo magnético? Esta cuestión parece controvertida y poco inteligente, teniendo en cuenta lo que acabamos de describir hasta ahora.

En primer lugar, para alcanzar un estado superconductor, necesitamos un material en forma de pares de cobre. En segundo lugar, parece que deberíamos evitar exponer este estado a campos magnéticos muy fuertes, porque pueden destruir el flujo superconductor.

El requisito de la inmaterialidad significa que se nos anima a trabajar con «nada», como… bueno, «materiales». “Nada” aquí significa la nada vacía máxima que podemos alcanzar, es decir, el vacío. El vacío, por definición, no contiene materia, partículas ni energía. Aplicar un fuerte campo magnético al vacío parece una idea desesperada, ya que el campo magnético no tiene nada que ver con ello.

Sin embargo, el vacío no está completamente vacío gracias al Principio de Incertidumbre de Heisenberg, una piedra angular de la física cuántica. El vacío está animado por la actividad de partículas virtuales que aparecen y desaparecen por breves momentos, formando una sopa hirviendo de fluctuaciones cuánticas.

Utilizando simulaciones numéricas avanzadas, nuestro equipo ha demostrado que un campo magnético suficientemente fuerte hace que estas fluctuaciones cuánticas se materialicen en un sólido. Este sólido parece estar hecho de un material similar a un vórtice, donde los vórtices individuales están aproximadamente alineados a lo largo del campo magnético. La existencia de tal sólido se planteó como hipótesis a finales de la década de 1980, sin evidencia preliminar de su existencia antes de nuestro trabajo.

Para añadir más desconcierto a nuestro descubrimiento, mencionamos que este extraño sólido también tiene propiedades específicas de un líquido: los vórtices se balancean y se mueven, como en un líquido, pero permanecen aproximadamente fijos en ciertos lugares como en un sólido. A diferencia de los sólidos típicos, no observamos ninguna estructura cristalina en ningún momento. A diferencia de un líquido, los componentes del vórtice de este material exótico no intercambian posiciones espaciales como esperaríamos que ocurriera en los sólidos habituales.

Aún más desconcertante es que los resultados de nuestro análisis sugieren fuertemente que este estado generado por el vacío es un superconductor. Dicho esto, podemos recordar la parte anterior de esta historia donde se declaró que el campo magnético es enemigo de la superconductividad. Sin embargo, la última afirmación ya no se puede aplicar a nuestra superconductividad, que se genera literalmente de la nada… por el mismo campo magnético.

Quizás, después de anunciar estas extrañas propiedades de la superconductividad en el vacío, no sea sorprendente que esta extraña materia superconductora en forma de remolino sólido-líquido -llamémosla «materia»- también posea otra propiedad, a saber, la superfluidez. La superfluidez, un pariente eléctricamente neutro de la superconductividad, indica que el material en cuestión contiene un componente líquido capaz de fluir sin viscosidad.

Si bien un coautor de este estudio planteó la hipótesis de la superconductividad y la superfluidez del vacío en 2010, la naturaleza líquida del estado del vórtice es una sorpresa sorprendente.

La sección transversal 2D muestra la fuerza del campo magnético remodelado por el vórtice sólido creado en la fase de vacío. Crédito: Vladimir Joy, de Cartas de revisión física (2023). doi: 10.1103/PhysRevLett.130.111802

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La sección transversal 2D muestra la fuerza del campo magnético remodelado por el vórtice sólido creado en la fase de vacío. Crédito: Vladimir Joy, de Cartas de revisión física (2023). doi: 10.1103/PhysRevLett.130.111802

En resumen, el caso descubierto es una de las “cosas” más extrañas que jamás haya existido. Quizás porque esta “cosa” está literalmente creada de “la nada”.

El lector curioso ahora puede preguntarse razonablemente qué tan fuerte se necesita el campo magnético para producir esta sustancia. No es algo que se pueda hacer con la ayuda de imanes de nevera, por ejemplo. ¿De qué se crean exactamente las partículas virtuales?

Para lograr un estado de vacío superconductor, los campos magnéticos deben alcanzar aproximadamente 0,74 × 1020 Tesla (74 exatesla, donde una exatesla es igual a la unidad seguida de 18 ceros). Esta fuerza es mucho más fuerte que la que se puede encontrar en los imanes de nuestros refrigeradores, que se puede encontrar durante una resonancia magnética o incluso que la que se puede crear en los laboratorios más avanzados de la Tierra. Es mucho más fuerte que el campo dentro de las enanas blancas o incluso que el campo de neutrones magnetizados más poderoso, los magnetares.

En cuanto al contenido de partículas, la superconductividad se consigue mediante la condensación de bosones W cargados eléctricamente. Al mismo tiempo, la superfluidez se mantiene mediante la presencia de condensados ​​​​de bosones Z neutros.

Llegados a este punto, uno puede plantearse otra pregunta: si aumentamos aún más el campo magnético, ¿estos vórtices se volverán más fuertes y formarán un cristal? La respuesta es negativa. En cambio, nuestras simulaciones revelaron algo aún más sorprendente relacionado con los famosos condensados ​​de Higgs. Este condensado es la piedra angular del modelo estándar que da masa a partículas como los quarks y los electrones y crea el universo que nos rodea tal como lo conocemos.

Hemos descubierto que en el segundo campo magnético crítico más alto de 260 xatila, la forma superconductora del vacío se “derrite” (¡a temperatura cero!) y pasa a otro estado donde el condensado del campo de Higgs desaparece. Este estado de campo alto es similar al estado en el que nuestro universo era más pequeño que un picosegundo. La propuesta teórica de que el condensado de Higgs desaparece en un campo magnético fuerte se remonta a mediados de los años 70 y fue descubierta recientemente en nuestras investigaciones.

Nuestros hallazgos no son simplemente una curiosidad teórica. Como se planteó la hipótesis de 2021, campos tan fuertes podrían existir en atmósferas cuánticas por encima de los horizontes de sucesos de agujeros negros exóticos altamente magnéticos. Por lo tanto, es posible que el extraño estado superconductor vacío-líquido-sólido-líquido haya surgido durante la evolución de nuestro universo o incluso pueda existir en este mismo momento.

Sin embargo, ahora es otra historia, astrofísica.

Esta historia es parte de Diálogo Científico XDonde los investigadores pueden informar los resultados de sus artículos de investigación publicados. Visita esta pagina Para obtener información sobre ScienceX Dialog y cómo participar.

más información:
M. N. Chernodub et al., Estructura de fases de un vacío electrodébil en un campo magnético fuerte: resultados de la red, Cartas de revisión física (2023). doi: 10.1103/PhysRevLett.130.111802

Información de la revista:
Cartas de revisión física


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