Ciertos materiales a muy bajas temperaturas conducen la corriente eléctrica sin resistencia ni pérdidas. Esta propiedad, conocida como superconductividad, fue descubierta en 1911 por el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926), quien ganó el Premio Nobel de Física en 1913 por su investigación en el campo.
Aunque ha pasado más de un siglo desde su descubrimiento, la investigación sobre la superconductividad sigue siendo intensa, tanto por la cantidad de información que aporta sobre aspectos fundamentales de la realidad material como por sus aplicaciones prácticas, en conversión de energía, telecomunicaciones y diagnóstico médico por imagen. por ejemplo.
Una línea de investigación se relaciona con la llamada “temperatura de transición superconductora” (Tc), por debajo de la cual un material se convierte en superconductor. La importancia de este tema es fácil de entender, dada la importancia de obtener superconductividad a temperaturas cada vez más altas, es decir, lo más cerca posible de la temperatura ambiente.
Un estudio con este enfoque realizado por investigadores brasileños ha sido recientemente publicado como artículo de portada en la revista Nanoescala. El artículo comienza con una referencia al “gran interés” del tema debido a las “posibles aplicaciones en dispositivos electrónicos de última generación”.
“En un estudio anterior, nuestro grupo de investigación investigó el papel que juega la presión como variable capaz de modificar la temperatura de transición de un determinado material. En el caso de materiales bidimensionales, se obtiene un proceso análogo mediante la aplicación de deformaciones. De eso se trata nuestro último estudio”, dijo Edison Zacarías da Silva profesor del Instituto de Física Gleb Wataghin de la Universidad Estadual de Campinas (IFGW-UNICAMP), en el estado de São Paulo, e investigador principal del estudio.
Silva es investigador principal de una Proyecto Temático apoyado por la FAPESP. El estudio utilizó una nueva supercomputadora llamada Ada Lovelace en el Centro Nacional de Procesamiento de Alto Rendimiento (CENAPAD-SP), alojado en la UNICAMP. los Centro de Desarrollo de Materiales Funcionales (CDMF) también colaboró. CDMF es uno de los Centros de Investigación, Innovación y Difusión de la FAPESP (RIDC).
En el estudio, los investigadores utilizaron simulaciones por computadora para investigar el comportamiento superconductor de una monocapa de nitruro de dimolibdeno (Mo2N) a diferentes temperaturas y con la aplicación de diversas tensiones. La herramienta matemática utilizada para resolver la estructura electrónica del material fue la teoría funcional de la densidad (DFT), un modelo simplificado derivado de la mecánica cuántica.
En DFT, utilizado en la física del estado sólido y la química teórica para resolver sistemas de muchos cuerpos, las propiedades de los sistemas con muchos electrones se determinan mediante funcionales (funciones de funciones), en este caso, la distribución espacial de la densidad electrónica.
“El análisis del acoplamiento electrón-fonón nos permite detectar la formación de pares de Cooper, que caracterizan un estado superconductor”, dijo Silva.
Un fonón es una excitación mecánica que se propaga a través de la red cristalina de un sólido. En la física clásica se puede describir como una onda elástica, pero considerando que el fenómeno ocurre a escala atómica, es necesario utilizar la física cuántica, en cuyo caso un fonón debe pensarse como un cuanto de energía que viaja a través de la enrejado.
La interacción electrón-fonón genera una atracción efectiva entre los electrones, lo que conduce al apareamiento de electrones o formación de pares de Cooper. Descubiertos por Leon Cooper, ganador del Premio Nobel de Física de 1972, los pares de Cooper fluyen juntos a través del material sin disipación de energía, lo que da como resultado la superconductividad.
“Encontramos que el nitruro de dimolibdeno tiene una propiedad sorprendente, que es que es un electruro y al mismo tiempo muestra superconductividad a temperaturas relativamente altas. Debido a su naturaleza iónica, los electridos tienen bolsillos de electrones confinados en los huecos del cristal, mientras que los superconductores, dependiendo de la temperatura, no ofrecen resistencia al flujo de electrones. Aunque estas dos propiedades parecen opuestas, podrían coexistir en el mismo material. Eso es exactamente lo que mostramos en nuestro estudio”, dijo Zenner Pereira profesor de la Universidad Federal Rural del Semiárido (Ufersa) en el estado de Rio Grande do Norte, y primer autor del artículo Nanoescala.
Un hallazgo importante del estudio fue la fuerte correlación entre las propiedades electrónicas del material y la tensión aplicada. “Nuestras simulaciones también mostraron que la monocapa de Mo2N se volvió superconductora a la temperatura más alta de cualquier material de su clase a presión ambiental. La temperatura de transición osciló entre 19,3 kelvin y 24,8 kelvin, según la cepa”, dijo Silva.
Además de Silva y Pereira, Giovani Facción profesor de la Universidad Federal del Gran Dourados (UFGD) en Mato Grosso do Sul, también participó del estudio.
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