Físicos de Estados Unidos y China han ideado una técnica para realizar mediciones confiables de las propiedades magnéticas de materiales mantenidos bajo presiones muy altas. Su método podría ayudar a los investigadores a descubrir materiales que son superconductores a altas temperaturas y altas presiones.

La superconductividad de alta temperatura ha aparecido regularmente en los titulares durante los últimos dos años, pero a menudo por razones equivocadas. Varias afirmaciones de materiales que son superconductores a temperatura ambiente cercana o incluso superior han sido disputados y algunos han sido retirados.

Parte del problema es que estos materiales se estudian a presiones muy altas en celdas de yunque de diamante (DAC). Un DAC comprime una pequeña muestra entre dos dientes de diamante, lo que dificulta mucho la observación de las firmas características de la superconductividad. De hecho, es incluso complicado conocer la estructura atómica detallada de tales muestras.

Normalmente, las afirmaciones de superconductividad deben estar respaldadas por dos pruebas. Una es una caída abrupta a cero en la resistividad del material a medida que ocurre la transición superconductora. El otro es el efecto Meissner, que consiste en la expulsión de un campo magnético de un material cuando éste entra en estado superconductor.

Desafío de alta presión

Verlos simultáneamente a alta presión en un DAC es un desafío, dice norman yao de la Universidad de Harvard. “¿Cómo se introduce una sonda en esta cámara de alta presión? Simplemente no tienes acceso”. La resistividad de la muestra se puede medir instalando cables diminutos. Pero para medir los efectos magnéticos, los investigadores generalmente rodean todo el DAC con una bobina de inducción de solenoide, que solo proporciona un promedio para toda la muestra.

El problema es particularmente grave para materiales como los superhidruros de cerio y lantano, que han sido el foco de gran parte del entusiasmo por los superconductores a temperatura ambiente. Por lo general, se fabrican utilizando un láser para calentar una escama de metal en presencia de un compuesto rico en hidrógeno. Pero puede resultar difícil saber dónde, a alta presión, se ha formado la fase de hidruro deseada y dónde no. Yao explica que esta es la razón por la que los experimentos fallan la mayoría de las veces, porque no hay una región superconductora continua que una un cable con otro.

Si la muestra es muy poco homogénea, también complica la interpretación de los datos de comportamiento magnético promedio recopilados por una bobina de inducción. Esto es particularmente complicado porque esas señales son generalmente pequeñas en comparación con el campo de fondo. Como resultado, las afirmaciones de superconductividad a alta presión son a menudo controvertidas.

Hace tres años, el equipo de Yao y otros demostraron que los campos magnéticos locales se pueden medir con alta resolución utilizando los propios diamantes DAC. Esto se hace usando Defectos de la red de vacantes de nitrógeno (NV) dentro de los diamantes. En estos defectos, dos átomos de carbono adyacentes son reemplazados por un átomo de nitrógeno y un sitio reticular vacío.

Estados de giro divididos

Cada NV tiene un espín cuántico que interactúa con los campos magnéticos. Esta interacción se observa mediante una técnica llamada resonancia magnética detectada ópticamente. Cuando se ilumina un NV con luz láser, se produce la emisión de luz fluorescente. Si también se aplica al NV una señal de microondas a una frecuencia resonante específica, pone el espín en un estado específico y esto reduce la cantidad de luz fluorescente emitida. Si también está presente un campo magnético, los niveles de energía de ese estado de espín se dividen. Esto significa que la reducción de la fluorescencia se produce en dos frecuencias de microondas distintas y la separación entre esas frecuencias es proporcional a la intensidad del campo magnético.

En principio, esta técnica podría usarse para realizar magnetometría resuelta espacialmente en una muestra de DAC utilizando centros NV implantados cerca de la punta de un diente de diamante. La fluorescencia se crea al hacer brillar un láser en la parte posterior de un diamante.

"Una ventaja inherente de la técnica NV es su alta resolución espacial al medir la perturbación del campo magnético aplicado por la fase superconductora, en contraposición al efecto promedio para las mediciones en toda la muestra", dice el experto en alta presión. Mijail Eremets del Instituto Max Planck de Química en Mainz, Alemania. "Esto permite el uso de muestras mucho más pequeñas y la posibilidad de alcanzar presiones más altas", añade Eremets, que ha trabajado en la superconductividad de alta temperatura en superhidruro de lantano presurizado.

Defectos deformados

Sin embargo, existe un problema con esta técnica de magnetometría porque la alta presión deforma los defectos NV de una manera que elimina gradualmente la señal de magnetometría. Anteriormente, se descubrió que la fluorescencia de dichos sitios NV desaparecía alrededor de presiones de 50 a 90 GPa, que es demasiado baja para formar las fases superconductoras de los superhidruros.

Ahora Yao y sus colegas han encontrado una solución a este problema de presión que es simple en principio pero difícil de diseñar. Si la cara superior del diente de diamante se corta a lo largo de una dirección cristalográfica particular, los sitios NV se alinean en esta dirección. El resultado de esta simetría es que la presión no afecta la fluorescencia. Esto ha permitido al equipo detectar superconductividad dentro de regiones específicas, tan pequeñas como unas pocas micras, de una muestra de superhidruro de cerio a una temperatura de alrededor de 90 K y una presión de 140 GPa.

Según los investigadores, el uso de esta orientación cristalina podría ayudar a resolver controversias pasadas y evitar algunas futuras. También podría ayudar a los investigadores a determinar qué condiciones de síntesis de muestras funcionan mejor. Anteriormente, dice Yao, era difícil determinar la naturaleza exacta de una muestra. Pero ahora, si el material objetivo tiene alguna respuesta magnética como el efecto Meissner, debería ser posible detectar exactamente dónde se encuentra en la muestra y así deducir cuán efectivas son las diferentes estrategias sintéticas.

“Esta capacidad de obtención de imágenes de la técnica será especialmente útil para in situ caracterización de las faltas de homogeneidad que están presentes en estos superconductores de alta temperatura, incluidos aquellos que son estables cerca de la presión ambiental”, dice el científico de materiales russell hemley de la Universidad de Illinois en Chicago, que no participó en el trabajo.

La investigación se describe en Naturaleza.

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• Fuente: https://physicsworld.com/a/diamond-alignment-makes-high-pressure-magnetometry-of-superconductors-possible/