Identifican vibraciones atómicas en la frontera entre dos materiales que podrían explicar una forma de superconductividad

La superconductividad es uno de los grandes temas de la investigación en materiales en la actualidad debido a su gran potencial en la transición energética. A pesar de décadas de investigación, aún no está completamente claro por qué algunas interfases entre materiales desarrollan esta propiedad. Ahora, un equipo internacional con participación del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB) del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) ha identificado por primera vez un conjunto de vibraciones atómicas que solo aparecen en estas interfases y que podrían desempeñar un papel importante en este fenómeno. Los resultados del estudio se han publicado en Nature Materials.

Una nueva pieza de un rompecabezas científico

La superconductividad es un fenómeno por el cual algunos materiales pueden conducir corriente eléctrica sin resistencia y, por tanto, sin pérdidas de energía. Aunque se conoce desde hace más de un siglo, la comunidad científica todavía debate sobre qué mecanismos la provocan en algunos materiales. Uno de los más intrigantes es el que aparece en la frontera entre determinados óxidos, una capa de solo unos pocos átomos de grosor en la que emergen propiedades que no existen en ninguno de los materiales por separado.

Los autores de este trabajo estudiaron dos óxidos que son aislantes por sí mismos, pero que se sabe desde hace tiempo que, al unirlos, generan, justo donde entran en contacto, una interfase de unos pocos átomos de anchura que se vuelve superconductora. “Son dos piedras aburridas que por sí solas son aislantes, pero que, al entrar una en contacto con la otra, generan una interfase que es conductora y, a muy baja temperatura, incluso superconductora”, asegura Jaume Gázquez, uno de los autores de la investigación.

Desde hace tiempo, es conocido que las vibraciones de la red de átomos pueden desempeñar un papel importante en la aparición de la superconductividad. Ahora, los resultados de este trabajo muestran que la red atómica vibra de manera diferente justo allí donde los dos materiales entran en contacto. Esta vibración está confinada en la misma región de la interfaz donde aparece la superconductividad. Esta correlación apunta a que estas vibraciones podrían estar relacionadas con el fenómeno.

Este hallazgo no demuestra por sí solo el origen de la superconductividad, pero aporta una pieza importante para entenderla. El personal de investigación de materiales sabe desde hace tiempo que las vibraciones de los átomos pueden influir en el comportamiento de los electrones. “Los átomos vibran de una manera especial en la interfase y no lo hacen lejos de ella. Esto no se había identificado nunca hasta ahora, es algo nuevo y muy relevante”, añade el investigador Gervasi Herranz.

Un paso más para entender la superconductividad

A pesar de la relevancia del descubrimiento, los investigadores insisten en que el trabajo no resuelve por sí solo el misterio de estas interfases conductoras. Lo que aporta es una información que hasta ahora no existía y que podría ayudar a aclarar qué mecanismos intervienen en la formación de los llamados pares de Cooper, parejas de electrones que se forman en algunos materiales en condiciones especiales y que hacen posible el transporte eléctrico sin pérdidas.

Para que aparezcan los pares de Cooper es necesario algún mecanismo que favorezca el apareamiento de los electrones. Una de las hipótesis es que las vibraciones de los átomos puedan intervenir. La nueva observación refuerza esta posibilidad, aunque no permite demostrarla definitivamente. “No podemos establecer de manera inequívoca que la superconductividad en este caso se deba a este modo de interfase. Pero lo que sí es muy importante es que esto no se había identificado nunca hasta ahora”, explica Gervasi Herranz.

Esta observación aporta una nueva pista para entender cómo emerge este comportamiento en sistemas donde los electrones se encuentran confinados en capas extremadamente finas.

Ver el movimiento de los átomos, un reto hasta hace poco imposible

Una parte de la relevancia del trabajo es metodológica. Para observar estas vibraciones, los autores del trabajo emplearon microscopía electrónica avanzada con una resolución suficiente para estudiar el comportamiento de los átomos individualmente y, en particular, sus modos de vibración locales. Esto ha permitido observar diferencias locales que las técnicas convencionales solo podían detectar de forma global.

Esta investigación se ha llevado a cabo en colaboración con la Universidad de la Academia China de Ciencias, el Centro de Investigación en Nanomateriales y Nanotecnología (centro participado por la Universidad de Oviedo), el Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología, la Escuela Superior de Física y Química de París y la Universidad Tecnológica de Chalmers.