Mi primer artículo científico

El pasado mes de febrero publiqué por primera vez como primer autor en la prestigiosa revista Physical Review B . Este artículo resume gran parte del trabajo que he realizado durante mi doctorado. No ha sido nada fácil publicarlo; desde que lo enviamos por primera vez ha pasado un año hasta que ha sido aceptado para publicación. Entre medias han pasado muchas cosas: nuevos experimentos, discusiones y 10 versiones diferentes del artículo.

Captura

En este post os voy a hacer un resumen divulgativo sobre lo que he publicado,  ya que para aquellos que no estéis metidos en el campo de la superconductividad os va a resultar algo complicado de entender debido a toda la jerga y todos los tecnicismos que se utilizan.

Allá vamos.

La superconductividad es el fenómeno por el cual algunos materiales pierden su resistencia eléctrica cuando se enfrían por debajo de una temperatura crítica. Por ejemplo, el aluminio se vuelve superconductor al enfriarlo a una temperatura de -272 ºC, el estaño a una temperatura un poco más alta, -269 ºC, y el plomo a una temperatura todavía más alta -266 ºC. Estas temperaturas son comparables a las temperaturas existentes en el espacio exterior. Además, los superconductores tienen otra propiedad y es que pueden repeler el campo magnético de una región determinada del espacio. Allí donde haya un superconductor es imposible que exista un campo magnético. Esto conoce como efecto Meissner.  

efecto_Meisnner
La figura a) se corresponde con la diferencia de la resistencia en función de la temperatura entre un metal convencional y un superconductor. La figura b) muestra el efecto Meissner y qué le pasa a un campo magnético cuando se encuentra con un superconductor.

¿Existe alguna manera de aumentar la temperatura crítica de estos materiales?

Por sorprendente que parezca, la temperatura de estos materiales aumenta si los hacemos muy pequeños, del orden de un millón de veces más pequeño que los objetos que estamos acostumbrados a ver en nuestro día a día. Por ejemplo, si cogemos estaño y hacemos láminas muy muy delgadas de tan solo 100 átomos de espesor, o si fabricamos nanohilos o nanopartículas con apenas unos nanómetros de tamaño,  lo que observamos experimentalmente es que la temperatura crítica aumenta de -269 ºC a -268.5 ºC.  No es demasiado, pero menos da una piedra. Sin embargo si hacemos lo mismo con el plomo lo que observamos es que la temperatura crítica no cambia en absoluto.

Sanguita_Tc
Evolución de la temperatura crítica con el tamaño de material

Esta tendencia se repite con más materiales, por ejemplo el aluminio aumenta su temperatura crítica al miniaturizarlo; sin embargo, la temperatura crítica del niobio no cambia al miniaturizarlo.

Pero, ¿por qué en algunos materiales la temperatura crítica aumenta y en otros disminuye?  Esta es justamente la pregunta que buscamos responder en este estudio.

Sabemos que la superconductividad aparece en estos materiales debido a la interacción entre las vibraciones de los átomos que forman el material  (fonones)  con los electrones. Lo fuerte o débil que sea esta interacción está determinado por la constante de acoplo electrón-fonón. Si somos capaces de averiguar cómo cambia esta interacción en función del tamaño de material podremos determinar  cómo cambia la temperatura crítica con el tamaño.

Para estudiar la interacción electrón-fonón fabricamos nanohilos de estaño con diámetros de 18, 35 y 100 nanómetros dentro de los poros de una matriz de óxido de aluminio. En la imagen de abajo podéis ver una imagen tomada con un microscopio de barrido electrónico en le que se ven claramente los nanohilos de 100 nm de diámetro.

Fig1_Sem
Nanohilos de estaño con 100 nm de diámetro. Imagen tomada con un microscopio de barrido electrónico

A continuación, medimos la temperatura crítica de 8 muestras de diferentes diámetros, y lo que observamos es que cuánto más pequeño es el diámetro más alta es la temperatura crítica.

Tc

Ahora es cuando el estudio se pone interesante. El siguiente paso fue medir el valor de la constante electrón-fonón, pero había un problema: nadie había medido nunca este parámetro en nanohilos con un diámetro tan pequeño. Para realizar este experimento tuvimos que viajar hasta Advance Photon Source (APS), un acelerador de partículas tipo sincrotrón que está situado a las afueras de Chicago. Este era el único lugar del mundo con las capacidades para realizar el experimento que necesitábamos. A diferencia  del Gran Colisionador de Hadrones en Ginebra, este sincrotrón hace girar electrones, lo que causa que emitan rayos-X y se pueden utilizar para medir distintas propiedades de un material.

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Advanced Photon Source, Chicago.

En nuestro caso los utilizamos para medir la densidad de estado de fonones, una cantiad que nos dice de cuántas maneras puede vibrar un material en función de la energía esa vibraciones. En la imagen de abajo podéis ver la densidad de estados de fonones correspondiente a las muestras que utilizamos, es decir, a los nanohilos de 18, 35 y 100 nanómetros de diámetro. Además, medimos unos pedazos macroscópicos de estaño para tener una referencia de como es la densidad de estados de fonones en un material que no ha sido miniaturizado. 

PDOS_2

En la imagen de arriba se ve que las maneras en que los átomos pueden vibrar en el estaño no miniaturizado cambian con respecto a como lo pueden hacer en los nanohilos. Utilizando estas medidas pudimos calcular el factor de acoplo electrón-fonón. Lo que encontramos es que a medida que disminuye el tamaño de los nanohilos el factor de acoplo aumenta. Utilizando el factor de acoplo electrón-fonón podemos calcular la temperatura crítica del material y así compararla con la temperatura crítica que obtuvimos en los primeros experimentos. Como se ve en la imagen hay correspondencia bastante buena entre nuestra predicción de la temperatura crítica usando los experimentos del sincrotrón y la temperatura crítica que medimos en laboratorio.  Hay una pequeña desviación en la muestra de 18 nm que atribuimos a efectos cuánticos que empiezan a ser importantes a estas escalas tan pequeñas.

Tc_vs_diameter

La conclusión de nuestro estudio es que la miniaturización del estaño provoca un aumento del acoplo electrón-fonón, que a su vez provoca el aumento de temperatura crítica del material. La novedad de esta investigación reside en que a pesar de la cantidad de estudios que se habían hecho en superconductores en la nanoscala, ninguno había conseguido medir experimentalmente el acoplo electrón-fonón, tan solo se disponían de cálculos teóricos.

¿Y qué pasa con otros elementos como el aluminio el plomo o el niobio? 

Mi predicción es que el aluminio se comportará más o menos igual que el estaño, es decir, que el acoplo electrón-fonón aumentará al reducir el tamaño de las muestras. Sin embargo, para el plomo y el niobio debe existir algún mecanismo que impida que el factor el acoplo electrón-fonón aumente a pesar de la miniaturización del material. Pero deberá ser otro estudiante de doctorado el que investigue experimentalmente que es lo que pasa en esos materiales

 

 

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