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Avanzan en develar los misterios de los “vórtices” en un tipo de superconductores

El equipo de docentes y doctorandos del Balseiro que llevó adelante esta investigación. Crédito Laura García Oviedo / Prensa IB. El equipo de docentes y doctorandos del Balseiro que llevó adelante esta investigación. Crédito Laura García Oviedo / Prensa IB. El equipo de docentes y doctorandos del Balseiro que llevó adelante esta investigación. Crédito Laura García Oviedo / Prensa IB.

Investigadores de Argentina y Francia tomaron fotografías por primera vez de miles de vórtices superconductores en una fase esquiva experimentalmente. El artículo fue publicado en la revista Communications Physics Nature. Se trata de una investigación pionera en el campo experimental de la física de la materia condensada.

Fecha de publicación: 16/12/2019

Los átomos se ordenan y desordenan en la naturaleza generando distintos estados de la materia que forman la realidad de la vida cotidiana. En cada estado de la materia existen distintas fases, que son estudiadas en detalle por físicos, químicos y otros científicos utilizando distintas estrategias. Nunca se sabe cuáles serán las potenciales aplicaciones, pero en la actualidad ya se utiliza este conocimiento para distintos sectores industriales.

En el campo de la física de sólidos o “materia condensada”, los físicos estudian, por ejemplo, las denominadas fases “vítreas” o vidriosas del estado sólido de vórtices en materiales superconductores. Éstas tienen diversos niveles de desorden, dependiendo de factores como la temperatura y los campos magnéticos. Sus propiedades han sido teorizadas en detalle desde la década de 1970 pero la observación de algunas de las fases de vórtices predichas continúa siendo un gran desafío experimental.

En un trabajo publicado en Communications Physics Nature, investigadores de Argentina y Francia comunicaron los resultados de una investigación sobre la “materia de vórtices” nucleada en una muestra de un material superconductor de alta temperatura crítica llamado “Bismuto-2212”.

Los superconductores son materiales que transportan la electricidad de forma perfecta y por eso son intensamente estudiados. En el caso de los superconductores “tipo II” se los llama así porque permiten el paso de campo magnético en forma de tubos de flujo magnético llamados vórtices.

La muestra de Bismuto-2212 estudiada tiene una red de millones de vórtices que la atraviesan. Los investigadores tomaron como sistema modelo la fase del vidrio de vórtices para tomarle fotografías y describir el nivel del desorden de su estructura, logrando una importante hazaña en la física a nivel mundial.

Torbellinos tipo “espagueti”

En la naturaleza, hay muchos ejemplos de fenómenos con la forma de “vórtice”: los tornados son un ejemplo; o el agua en espiral al tirar la cadena del baño es otro; y la lista sigue. A nivel microscópico, y a temperaturas muy bajas, los materiales superconductores también tienen vórtices que son como “espaguetis” o tubos formados por campos magnéticos que atraviesan el material.

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“Los vórtices en superconductores tipo II forman una red que en una foto se verá más o menos hexagonal pero con algunos defectos. Si se hace un video de ellos, tendrán en un determinado rango de temperaturas una dinámica muy viscosa, sin llegar a fluir como un líquido. Los vidrios son fases intermedias entre los sólidos ordenados y los líquidos”, explica la doctora en Física Yanina Fasano, que lideró el equipo de investigación que reportó sus resultados en Communications Physics Nature.

“En nuestro artículo, reportamos que el vidrio de vórtices, lejos de ser una fase desordenada como se planteaba desde la teoría, consiste en una estructura con una baja densidad de defectos, pero tal que está fracturada en cristalitos con cientos de vórtices, cada uno de ellos con distintas orientaciones”, cuenta Fasano, que es docente en el Instituto Balseiro, una institución de educación pública dependiente de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA) y la Universidad Nacional de Cuyo (UNCUYO).

“Sería como si recortáramos una estructura más o menos hexagonal en pedazos con 100 vórtices y luego pegáramos los pedazos o cristalitos con distintas orientaciones para formar un mosaico. Además, en nuestra investigación mostramos que en el volumen de la muestra no se produce una pérdida significativa del orden que se observa en la superficie de la misma”, agrega Fasano, que trabaja como investigadora del CONICET en el Laboratorio de Bajas Temperaturas del CAB.

“Por diversos motivos, asociados a complicaciones técnicas para tener acceso a observar cómo se encuentran arreglados los vórtices en esta fase que se llamó ‘vidrio de vórtices’, no había en la literatura información sobre cuán desordenado es realmente este vidrio en campos de visión grandes, de miles de vórtices”, explica la doctora en Física.

El doctor en Física Thierry Giamarchi, que es un referente mundial en la física de superconductores y que no participó en esta investigación, destacó: “Es un hermoso artículo, con una excelente combinación de un conjunto de notables técnicas experimentales y resultados, y de un análisis teórico impecable”.

Giamarchi, que es profesor e investigador en la Universidad de Ginebra, agregó que este trabajo provee pistas invaluables para comprender la física de la fase del vidrio de vórtices, que comparó con un rompecabezas. “Las observaciones y el análisis teórico de estas observaciones han demostrado que algunos postulados teóricos de cómo se debería comportar esta fase simplemente no son coherentes con el experimento”, comentó vía correo electrónico al Área de Comunicación del Instituto Balseiro (ver columna de opinión: “Pistas invaluables…”).

Más de medio siglo después

Los vórtices en superconductores se estudian desde fines de la década de 1950, cuando Alexei Abrikosov, Premio Nobel de Física, propuso teóricamente su existencia. Experimentalmente comenzaron a tomarse fotos de los vórtices una década después: en 1967, U. Essmann y H. Traüble tomaron la primera instantánea de la materia de vórtices superconductores aplicando una técnica que se llama “decoración magnética” y utilizando un microscopio electrónico.

“Esa misma técnica de decoración magnética es la que utilizamos en nuestro trabajo para tomar fotografías de la materia de vórtices superconductores. Consiste en evaporar partículas muy diminutas de hierro cerca del superconductor, que son atraídas a las posiciones de los vórtices que concatenan flujo magnético y así ‘decoran’ las posiciones de los vórtices”, explica Fasano.

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“Luego podemos tomar fotos con un microscopio electrónico, ya que los vórtices están típicamente separados una distancia de micrómetros para las densidades en que se aplica esta técnica, y así se obtiene una foto de la estructura de los vórtices en el material superconductor”, detalla la investigadora.

Generar las condiciones experimentales para controlar esa situación es complejo: deben realizarse a baja temperatura, con lo que es necesario contar con refrigeración mediante líquidos criogénicos. En el “Laboratorio de Bajas Temperaturas” del CAB, se suele medir a temperaturas tan bajas como 4 grados Kelvin (-269.15 grados centígrados) todos los días, cuenta la docente.

Su colega, Alejandro Kolton, también investigador del CONICET en el Grupo de Teoría del Sólido del CAB y coautor del citado artículo, agrega: “La mayor dificultad consiste en que se debe utilizar una técnica que permita visualizar las posiciones de los vórtices, con resolución de micrómetros, en grandes campos de visión de dimensiones del orden del milímetro”.

Kolton, destaca que esas imágenes extendidas son necesarias para hacer una comparación cuantitativa con las predicciones teóricas. Hasta ahora, sólo se habían publicado trabajos en los que se reportaron fotografías del vidrio de vórtices con 100 vórtices y sólo en la superficie de la muestra.

“Nos propusimos estudiar las propiedades estructurales del vidrio de vórtices para grandes campos de visión de miles de vórtices tanto en la superficie como el volumen de las muestras”, destaca Fasano. Para lograrlo, combinaron la técnica de decoración magnética con la de difracción de neutrones de bajo ángulo y llevaron adelante experimentos con monocristales superconductores grandes, de tamaño milimétrico, ya que “sino la señal en la fase del vidrio de vórtices es muy débil como para poder sacar conclusiones”.

Los experimentos de esas características pueden realizarse sólo en laboratorios de haces de neutrones que son grandes facilidades de consorcios de países. Los experimentos de neutrones realizados por el equipo liderado por Fasano fueron realizados en el Institut von Laue-Langevin de Grenoble, Francia. En un futuro cercano también se podrán realizar experimentos de este tipo en Argentina, cuando se inaugure el proyecto del Laboratorio Argentino de Haces de Neutrones, el LAHN en el reactor “RA10” de la CNEA.

Una muestra única

El material estudiado, el Bismuto-2212, es superconductor a temperaturas menores a 90 grados Kelvin (-183.15 grados centígrados). Los investigadores estudiaron distintos tipos de muestras, “prístinas”, o sea, recién crecidas en un horno, y también muestras irradiadas con electrones a baja temperatura para estabilizar la fase del vidrio de vórtices y poder tomar mejores imágenes. 

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La irradiación con electrones a baja temperatura fue realizada por un colaborador del equipo de Fasano y Kolton: Marcin Konczykowski, en la École Polytechnique de Palaiseau, Francia. Adicionalmente, para realizar los estudios de difracción de neutrones de bajo ángulo utilizaron una muestra milimétrica, que es un tamaño gigantesco para un monocristal superconductor. “Esta muestra es única en el mundo y fue crecida en Siberia, Rusia, y se encuentra en poder de nuestro colaborador francés y experto en difracción de neutrones Alain Pautrat”, detalló Yanina Fasano.

De Argentina, participaron investigadores del Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET) que trabajan en el Centro Atómico Bariloche (CAB) y el Instituto Balseiro. Fue muy importante el trabajo experimental y de análisis de datos llevado adelante por los estudiantes Jazmín Aragón Sánchez, Gonzalo Rumi, René Cejas Bolecek y Raúl Cortés Maldonado que realizan o finalizaron sus doctorados y postdoctorados en el Laboratorio de Bajas Temperaturas del CAB bajo la dirección de la Dra. Fasano.

También participaron del trabajo, investigadores de la Universidad Nacional de San Luis y el Instituto de Física Aplicada del CONICET en San Luis. De Francia, de la Universitat Paris-Saclay, el Laboratoire des Solides Irradiés, la École Polytechnique, el Institut Laue-Langevin y el Laboratoire CRISMAT-EnsiCaen.

Fasano ha trabajado en torno a la pregunta de cuáles son las propiedades estructurales del vidrio de vórtices desde la época de su tesis doctoral. Con su maestro y director de tesis, el científico Paco de la Cruz, que es uno de los fundadores del Laboratorio de Bajas Temperaturas del Centro Atómico Bariloche y del Balseiro, inició ese camino de investigación.

En una estadía posdoctoral con el Prof. Oystein Fischer, quien fue director del grupo de microscopía túnel de barrido de la Universidad de Ginebra, tuvo la oportunidad de seguir investigando en este tema. Pero recién en los últimos años se dieron las condiciones para realizar el trabajo experimental que reportó con su equipo en Communications Physics Nature, contrastando con los modelos teóricos propuestos.

“Tuve finalmente la posibilidad de responder a esta pregunta gracias a persistir y a convencer e interesar a otros colegas y estudiantes en realizar aportes para responderla. Cada uno de ellos, autores del trabajo, han sido fundamentales en poder responder a esta pregunta”, remarca Fasano.

“El desafío más importante en el que trabajamos ahora con los estudiantes con los que tengo el placer de compartir mis días de laboratorio es empujar los límites de aplicación y resolución de las técnicas experimentales. Son las que utilizamos para poder descubrir fenómenos emergentes de la materia de vórtices, novedosos y de relevancia para sistemas de materia condensada en general”, concluye la docente del Balseiro.

Link al paper: hacer click aquí.

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Por Laura García Oviedo / 

Área de Comunicación Institucional y Prensa

Crédito imágenes (en orden descendente):

Foto 1 y 4 : Laura García Oviedo -

2 y 3: Gentileza Yanina Fasano

Instituto Balseiro, San Carlos de Bariloche, 16/12/2019

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