Superconductividad del Grafeno; ¿Universal?

El valor experimental del grafeno, un material con alta conductividad, viene definido por unidades físicas fundamentales independientemente del origen de la muestra. Esto resulta extraordinario, pero ahora investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) ofrecen en la revista Physical Review B una explicación a este sorprendente fenómeno.

Desde el primer trabajo publicado sobre grafeno por los recientemente galardonados con el premio Nobel Andre Geim y Konstantin Novoselov, la conductividad de este material ha sido el centro de un intenso debate. El hecho de que su valor experimental venga definido por unidades físicas fundamentales, independientemente del origen de la muestra de grafeno, es algo extraordinario. En una reciente publicación, Investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid ofrecen una explicación a este sorprendente hecho.

La aparición de nuevos fenómenos en Física de la Materia Condensada se encuentra indefectiblemente unida a la síntesis, fabricación e incluso al descubrimiento casual de nuevos materiales; y lo que es aún más importante, a la calidad de dichos materiales.

Las heteroestructuras de diferentes materiales semiconductores son, por poner un ejemplo, un claro reflejo de esta relación entre el progreso en la fabricación y el descubrimiento de nuevos fenómenos físicos. En la actualidad un nuevo material es el responsable del renovado interés en los sistemas electrónicos bidimensionales: el grafeno.

Difícilmente se puede encontrar un material que haya creado tantas expectativas en la comunidad científica y en tan poco tiempo como el grafeno. Su espectacular auge rivaliza ya con el que en su día tuvieron los nanotubos de carbono, las multicapas magnéticas, las heteroestructuras semiconductoras e incluso con el de los propios superconductores de alta temperatura crítica.

El término grafeno se refiere a una única lámina de átomos de carbono organizados en una estructura cristalográfica de tipo hexagonal. La estructura electrónica de grafeno era conocida por los físicos teóricos desde hace aproximadamente 60 años.

No obstante, el hecho de que los mismos físicos teóricos estuviesen de acuerdo en que no existe orden de largo alcance en dos dimensiones (y el grafeno es un cristal estrictamente bidimensional) hacía que sus fascinantes propiedades electrónicas no pasasen de ser una mera curiosidad académica.
Las ecuaciones de Schrödinger y Dirac.

El principal motivo del interés despertado por este material es la naturaleza excepcional de sus portadores. En Física de la Materia Condensada, la ecuación de Schrödinger describe las propiedades electrónicas de cualquier material. El grafeno no es una excepción pero las interacciones con los núcleos de los átomos de carbono hacen que los electrones en el grafeno imiten en su comportamiento a partículas relativistas sin masa gobernadas por la ecuación de Dirac.

Si a la falta de defectos estructurales y consiguiente estabilidad mecánica le añadimos las mencionadas propiedades electrónicas “relativistas”, el resultado es un material en el que sus portadores muestran una movilidad extraordinaria si se compara con la de semiconductores como el silicio.

Se cree que la movilidad está fundamentalmente limitada por impurezas derivadas del contacto con el sustrato, aunque, a día de hoy, la naturaleza de éstas no haya sido identificada con certeza.

Otro aspecto aún más intrigante, es el hecho de que la conductividad del grafeno sin dopar es finita y aparentemente está definida a través de constantes universales presentando un valor en torno a 4e²/h para la mayor parte de las muestras. Esto es algo difícilmente anticipable dado que el grafeno es un semiconductor de gap cero y su densidad de estados es cero al nivel de Fermi. ¿Por qué el valor de la conductividad es universal y cuál es su origen microscópico? son preguntas fundamentales que permanecen sin respuesta.

En el trabajo recientemente publicado en Physical Review B por investigadores del Departamento de Física de la Materia Condensada de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), este tema fue abordado desde un punto de vista teórico-computacional usando técnicas de primeros principios en combinación con teoría de transporte electrónico cuántico.

Los investigadores de la UAM se ayudaron de un nuevo material imaginario apodado “hidrófeno”, que presenta unas propiedades electrónicas similares a las del grafeno pero con un coste computacional mucho menor. Sus cálculos han revelado que la conductividad se encuentra en el entorno de 4e²/h y que es sorprendentemente robusta a la variación en la densidad e intensidad de las impurezas cercanas al grafeno. De ahí la falsa sensación de universalidad.

Jose E. Guerrero C
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http://elprofesordeciencias.blog.com.es/2011/02/02/superconductividad-del-grafeno-universal-10493584/

La superconductividad y el transporte del futuro

La superconductividad es una capacidad que poseen algunos materiales para conducir la electricidad con resistencia y pérdida de energía cercanas a cero, si se los enfría a temperaturas cercanas al cero absoluto (unos 273 grados centígrados bajo cero).
Fue el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes quién, en 1911, descubrió esta propiedad. Si lográramos dominarla por completo, sería enormemente beneficiosa y cambiaría todo el sistema eléctrico mundial.

Los cables que conducen la energía eléctrica actualmente lo hacen de forma muy deficiente, debido a la resistencia natural que tienen cuando pasan electrones por su interior. A través de ellos se pierden cantidades ingentes de energía, hecho que se podría evitar gracias a los superconductores.

Como hemos dicho, los superconductores podrían transportar la energía sin apenas pérdida, lo que supondría un enorme ahorro. Sin embargo, el problema llega cuando para enfriar lo suficiente estos materiales es necesaria una cantidad de energía mayor de la que podríamos ahorrar. Si los científicos lograran que esta propiedad se manifestara a temperaturas más altas (temperatura ambiente, por ejemplo) los proyectos que se podrían llevar a cabo cambiarían de forma inimaginable nuestra sociedad tecnológica, de transportes y, realidad, toda nuestro mundo.

Una de las propiedades más interesantes de los superconductores ya está siendo utilizada para la innovación en los medios de transporte. Esta propiedad es la levitación. Cuando a un superconductor le aplicamos un campo magnético externo débil lo repele perfectamente, con lo que conseguimos el efecto de la levitación, utilizado en la actualidad en el Tren de Levitación Magnética (maglev) en China y Japón.

Este tren viaja suspendido en el aire por encima de una vía, siendo propulsado hacia adelante por medio de las fuerzas repulsivas y atractivas del magnetismo. Gracias a esto, alcanza velocidades de hasta 581 km/h (el máximo testado hasta el momento), convirtiéndose en competidores directos del transporte aéreo, y dejando a nuestro AVE, a la altura del betún. Sin embargo, el coste de estas líneas es tremendamente elevado, lo que ha limitado su implantación.

En la actualidad, el maglev sólo tiene una línea operativa que une el centro financiero de Shangai con su aeropuerto internacional. El tren de levitación magnética de alta velocidad permite realizar este recorrido, de 30 kilómetros, en tan solo 7 minutos y medio.

Existen otros proyectos en Alemania, Estados Unidos, Emiratos Árabes, Holanda, e incluso un gran proyecto para unir las ciudades de Londres y Glasgow, atravesando prácticamente toda Gran Bretaña, aunque de momento ninguna de estas propuestas se encuentra aprobada

Jose E. Guerrero C
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http://lasmentesinquietas.blogspot.com/2007/06/fsica-la-superconductividad-y-el.html

Bebidas comerciales, posee un nivel de superconductividad alto

Comencemos con algunas definiciones: Un superconductor es un material cuya resistencia eléctrica es muy cercana a cero, dependiendo fundamentalmente de la temperatura a la que se ve expuesto. Lamentablemente, los mejores casos de superconducción que conocemos requieren temperaturas que se acercan mucho al cero absoluto, por lo cual es comprensible la necesidad de encontrar un superconductor que pueda operar a temperatura ambiente, o al menos, que lo haga bajo un nivel de refrigeración comercialmente viable. Si llegara a descubrirse, el impacto será mucho más que espectacular, afectando una enorme cantidad de campos.

Se cree que el truco está en la rápida oxidación del vino y otras bebidas
Y así es como encontramos al doctor Yoshihiko Takano del Instituto Nacional para la Ciencia de los Materiales en la ciudad de Tsukuba, de la prefectura Ibaraki en Japón. Takano, junto a un grupo de colegas, después de haber estado en una fiesta en la cual el alcohol no fue el “reactivo limitante”, se realizaron pruebas sobre posibles materiales superconductores basados en hierro, específicamente, una variante Hierro-Telurio-Azufre que puede volverse superconductor en contacto con oxígeno o agua. En un intento por inducir superconductividad en el material, se le dio un tratamiento con agua, etanol, y una mezcla de ambos a una temperatura de setenta grados Celsius durante 24 horas. Sin embargo, al utilizar otros fluidos para el mismo tratamiento como vino tinto, shochu y cerveza (un trío más que suficiente para una fiesta), la inducción de superconductividad en el material fue mucho mayor. Los resultados fueron pobres en agua, y de alrededor de un 15 por ciento para la mezcla agua-etanol, pero el número se elevó a un 37.8 por ciento para la cerveza, y un impresionante 62.4 por ciento para el vino tinto.

El descubrimiento lleva algún tiempo publicado, ya que el documento que lo describe tiene fecha de agosto de 2010, pero ha trascendido en estos días. De acuerdo a los resultados, el nivel de alcohol en la bebida no ha sido un factor determinante, y se estima que debido a la rápida oxidación del vino tinto (vino abierto, vino muerto), la bebida actuó como catalizador para enriquecer de oxígeno al material, elevando así su nivel de superconducción. No es la primera vez que escuchamos sobre las importantes propiedades del alcohol en relación con la ciencia y la tecnología (la cerveza puede ser un excelente refrigerante), pero todo se reduce a realizar pruebas adicionales. Si bien no es el superconductor definitivo que estamos buscando, este inusual proceso de inducción puede abrir la puerta a la creación de otros materiales mucho más “amigables” con las bebidas.

Jose E. Guerrero C
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http://betocammpos.over-blog.com/article-bebidas-comerciales-posee-un-nivel-de-superconductividad-alto-64944792.html

Los nanotubos baten el récord de superconductividad

Físicos de Japón han demostrado que los nanotubos de carbono de múltiples paredes “totalmente unidos por sus extremos” pueden actuar como superconductores a temperaturas tan elevadas como 12 ºK, es decir, 30 veces más elevada que para los nanotubos de carbono de pared única. Los nanotubos superconductores se podrían utilizar para el estudio de efectos cuánticos fundamentales en 1D, así como para la búsqueda de aplicaciones prácticas en la informática cuántica molecular.

El equipo ha diseñado un sistema que cuenta con una fase superconductora capaz de competir con la fase TLL e incluso de superarla (una proeza considerada imposible hasta ahora). El sistema está formado por una matriz de nanotubos de carbono de varias paredes, constituido cada uno de ellos por una serie de capas concéntricas. Los contactos eléctricos de metal están unidos a los tubos de manera que tocan la parte superior de todas las capas. Por el contrario, las uniones convencionales "bulk junction", sólo tocaban la capa exterior del tubo en algún punto a lo largo del mismo.

Jose E. Guerrero C

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http://noticias-nanotecnologia.euroresidentes.com/2006/02/nanotubos-baten-el-rcord-de.html

Proponen superconductividad sin fonones

Cincuenta años después de que se explicara por qué los superconductores tradicionales conducen la corriente eléctrica sin pérdidas, unos físicos sugieren, en un trabajo teórico, que es posible un mecanismo distinto para la existencia de superconductividad.

La superconductividad puede explicarse mediante la existencia de pares de Cooper. En determinados materiales cuando las temperaturas son muy bajas aparecen los pares de Cooper. Éstos son asociaciones de dos electrones que se mantienen unidos gracias a fonones, que son vibraciones de la red. La atracción mediada por fonones entre estos electrones de spines opuestos es mayor que la repulsión entre sus cargas.

Los pares de Cooper son bastante más grandes que el espaciado interatómico de la red cristalina y todos ellos se comportan como un todo que puede avanzar a través de la red sin esfuerzo, por lo que la resistencia eléctrica desaparece. Los fonones son por tanto fundamentales para la superconducción tradicional.

A una temperatura alta se terminan destruyendo los pares de Cooper y, por tanto, el estado superconductor desaparece. Esta explicación fue propuesta por Bardeen, Cooper y Schrieffer en 1957, y por ello recibieron el premio Nobel más tarde.

En el artículo recientemente publicado en Nature, y escrito por físicos de Los Alamos National Laboratory, de University of Edinburgh y de Cambridge University, se propone que es posible alcanzar el estado superconductor en ciertos materiales sin la presencia de vibraciones de la red (fonones).

En los superconductores tradicionales la superconductividad aparece a 253 grados bajo cero, y en los de alta temperatura a 196 grados bajo cero. Aunque las temperaturas de transición exactas dependen del material en concreto.

Según el artículo de Pines, Monthoux y Lonzarich la atracción entre electrones que puede dar lugar a la superconductividad puede darse sin necesidad de la ayuda de fonones en materiales con ciertas propiedades antiferromagnéticas. En los materiales antiferromagnéticos los spines se ordenan de tal manera que alteran los dos posibles valores de su spin.

Según estos autores en algunos tipos de materiales podría darse la superconductividad mediada mediante este mecanismo y a una temperatura sustancialmente superior a la de los superconductores tradicionales que están mediados por fonones.

Entre los materiales que se sospecha que no usan la mediación de fonones están los superconductores de electrones pesados, ciertos materiales orgánicos y los materiales hechos de óxidos de cobre como el Ybacuo, que mantienen la superconductividad a temperatura del nitrógeno líquido.

Según uno de los autores si alguna vez se descubre un superconductor a temperatura ambiente (el santo Grial de la superconductividad) será un material de este tipo que presenta superconducción sin necesidad de mediación fonónica.

Jose E. Guerrero C
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http://axxon.com.ar/not/181/c-1813012.htm

Proponen superconductividad sin fonones

Cincuenta años después de que se explicara por qué los superconductores tradicionales conducen la corriente eléctrica sin pérdidas, unos físicos sugieren, en un trabajo teórico, que es posible un mecanismo distinto para la existencia de superconductividad.

La superconductividad puede explicarse mediante la existencia de pares de Cooper. En determinados materiales cuando las temperaturas son muy bajas aparecen los pares de Cooper. Éstos son asociaciones de dos electrones que se mantienen unidos gracias a fonones, que son vibraciones de la red. La atracción mediada por fonones entre estos electrones de spines opuestos es mayor que la repulsión entre sus cargas.

Los pares de Cooper son bastante más grandes que el espaciado interatómico de la red cristalina y todos ellos se comportan como un todo que puede avanzar a través de la red sin esfuerzo, por lo que la resistencia eléctrica desaparece. Los fonones son por tanto fundamentales para la superconducción tradicional.

A una temperatura alta se terminan destruyendo los pares de Cooper y, por tanto, el estado superconductor desaparece. Esta explicación fue propuesta por Bardeen, Cooper y Schrieffer en 1957, y por ello recibieron el premio Nobel más tarde.

En el artículo recientemente publicado en Nature, y escrito por físicos de Los Alamos National Laboratory, de University of Edinburgh y de Cambridge University, se propone que es posible alcanzar el estado superconductor en ciertos materiales sin la presencia de vibraciones de la red (fonones).

En los superconductores tradicionales la superconductividad aparece a 253 grados bajo cero, y en los de alta temperatura a 196 grados bajo cero. Aunque las temperaturas de transición exactas dependen del material en concreto.

Según el artículo de Pines, Monthoux y Lonzarich la atracción entre electrones que puede dar lugar a la superconductividad puede darse sin necesidad de la ayuda de fonones en materiales con ciertas propiedades antiferromagnéticas. En los materiales antiferromagnéticos los spines se ordenan de tal manera que alteran los dos posibles valores de su spin.

Según estos autores en algunos tipos de materiales podría darse la superconductividad mediada mediante este mecanismo y a una temperatura sustancialmente superior a la de los superconductores tradicionales que están mediados por fonones.

Entre los materiales que se sospecha que no usan la mediación de fonones están los superconductores de electrones pesados, ciertos materiales orgánicos y los materiales hechos de óxidos de cobre como el Ybacuo, que mantienen la superconductividad a temperatura del nitrógeno líquido.

Según uno de los autores si alguna vez se descubre un superconductor a temperatura ambiente (el santo Grial de la superconductividad) será un material de este tipo que presenta superconducción sin necesidad de mediación fonónica.

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http://axxon.com.ar/not/181/c-1813012.htm

Logran la superconductividad aumentando la presión en dos fases

Un equipo de científicos internacional ha descubierto que las extremadamente bajas temperaturas que se requieren para conseguir la superconductividad de los materiales se pueden inducir aumentando mucho la presión y, además, en dos fases diferentes. El estudio, que publica hoy Nature, se ha centrado en un cristal de óxido de bismuto de tres capas denominado “Bi2223”.

Los superconductores son más de 150 veces más eficaces que los cables de cobre a la hora de conducir la electricidad. Sin embargo, para conseguir el estado de superconductividad, estos materiales deben ser enfriados por debajo de una temperatura extremadamente baja, llamada de transición (temperatura de transición superconductora, Tc), a cuyo punto la resistencia eléctrica normal desaparece. Desarrollar superconductores con temperaturas de transición más altas es uno de los mayores retos de los físicos. Ahora, un equipo liderado desde el Laboratorio de Geofísica de la Institución Carnegie para la Ciencia (EEUU) ha descubierto de forma inesperada que la temperatura de transición puede se puede inducir bajo dos diferentes presiones intensas en un cristal de óxido de bismuto de tres capas denominado “Bi2223”.

La presión más alta produce la temperatura de transición requerida. Los científicos piensan que este fenómeno en dos fases se produce a partir de la “competición” del comportamiento electrónico en diferentes tipos de capas de oxígeno-cobre en el cristal. El trabajo se publica esta semana en la revista Nature.

Hasta ahora, los materiales con carga de cobre llamados cupratos habían sido los únicos superconductores cuyas temperaturas de transición eran mayores que el punto de de ebullición del nitrógeno líquido a -321° F (77 K). Todavía supone un reto saber si se pueden conseguir temperaturas de transición más altas en estos materiales.

“Bi2223 es como una tarta con capas”, explica el autor principal Xiao-Jia Chen, de la Institución Carnegie. “En la parte superior y en la inferior existen capas de óxido de bismuto aislantes. Dentro de ellas, están las capas de óxido de estroncio. Después están las capas de óxido de cobre, después las de calcio y, finalmente, en el medio hay otra capa de óxido de cobre. Algo muy interesante es que las capas de óxido de cobre más externas y más internas tienen propiedades físicas diferentes lo que provoca un desequilibrio de la carga eléctrica entre las capas”.

Uno de los modos que han encontrado los científicos de aumentar la temperatura de transición de los materiales superconductores es “doparlos” añadiendo partículas cargadas. Bajo una presión normal, la temperatura de transición dopada óptima de Bi2223 es de -265° F (108K). Los científicos han sometido los cristales dopados del material a un rango de presiones de hasta 359.000 veces la presión atmosférica a nivel del mar (36,4 gigapascales), la presión hasta ahora más alta para las mediciones magnéticas en superconductores cupratos. La primera temperatura de transición más alta tuvo lugar a 100.666 atmósferas (10,2 GPa).

Jose E. Guerrero C
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http://www.tendencias21.net/Logran-la-superconductividad-aumentando-la-presion-en-dos-fases_a4762.html