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 comportaments ferromagnètics 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, és a dir, les línies de camp magnètic que penetren en el superconductor permetent generar grans camps magnètics inaccessibles per altres tecnologies. 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 ser clau per demostrar la presència de moments magnètics al coure.
El futur dels superconductors a 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 1986", segons Jaume Gazquez, un dels investigadors de la recerca.
Figura: A l'esquerra, imatge amb resolució atòmica del cuprat estudiat, mostrant la regió on es troben els defectes (fletxa groga). Cada punt brillant de la imatge mostra una columna d'àtoms i precisament en aquest pla és on es troben les vacants de coure (els forats mostren l'absència d'àtoms de coure). Sobreimposada a la imatge es mostra la regió on apareix el ferromagnetisme. Al mig, model de l'estructura del superconductor en la regió emmarcada a la imatge. Es important assenyalar que només els àtoms de coures i oxigen del voltant de les vacants tenen comportament magnètic, són els marcats en groc. A la dreta, l'espectre d'absorció i de dicroisme magnètic circular en el pic del coure..
