Nuevas aleaciones de alta entropía muestran potencial de superconductividad

Los materiales superconductores son un área de investigación súper interesante porque pueden conducir electricidad sin resistencia a bajas temperaturas. Recientemente, los científicos han estado investigando un nuevo grupo de materiales conocidos como Aleaciones de alta entropía (HEAs). Estos materiales están hechos de una mezcla de varios elementos diferentes, lo que crea un alto nivel de desorden. Tradicionalmente, los superconductores han sido estructuras bien ordenadas, así que encontrar Superconductividad en estas HEAs desordenadas plantea preguntas importantes.

En nuestro estudio reciente, nos centramos en dos tipos de nuevas HEAs hechas de Metales de transición: una llamada ReOMWZ y la otra llamada RuOMWZ. Cada aleación tiene una estructura única: ReOMWZ tiene una disposición específica sin un punto central (no centrosimétrica), mientras que RuOMWZ tiene una estructura hexagonal en capas. Estas diferencias estructurales son importantes porque pueden afectar cómo se comporta el material como superconductor.

Ambas aleaciones mostraron signos de superconductividad a través de varias pruebas. Medimos propiedades clave, incluyendo su capacidad para atraer campos magnéticos (Magnetización a granel), resistividad eléctrica (qué tan fácilmente fluye la electricidad a través de ellas) y Calor Específico (cómo responde el material al calor). Nuestros hallazgos confirmaron que ambas aleaciones son superconductores tipo II, que pueden permitir que los campos magnéticos las penetren de manera controlada.

#¿Qué son las Aleaciones de Alta Entropía?

Las aleaciones de alta entropía son un concepto relativamente nuevo en la ciencia de materiales. Se crean combinando al menos cinco elementos metálicos diferentes, cada uno aportando entre el 5 y el 35% de la mezcla. Esta combinación resulta en un material con mucha disposición aleatoria, o entropía, lo que puede mejorar ciertas propiedades deseables. Gracias a su estructura única, las HEAs pueden mostrar comportamientos especiales, como tipos diferentes de magnetismo y superconductividad.

El estudio de las HEAs ha ganado popularidad rápidamente en los últimos años, revelando posibilidades emocionantes para nuevos materiales que podrían usarse en tecnología e ingeniería. Las características inusuales de las HEAs las hacen ideales para investigar preguntas científicas fundamentales sobre cómo se comportan los materiales en diferentes condiciones.

#Las Aleaciones que Estudiamos

En nuestra investigación, creamos dos nuevas HEAs: ReOMWZ, que incluye elementos como el Renio (Re), Osmio (Os), Molibdeno (Mo), Tungsteno (W) y Circonio (Zr), y RuOMWZ, que también incluye Rutenio (Ru) en una disposición diferente. Ambas aleaciones fueron sintetizadas a través de un proceso llamado fusión por arco, donde versiones de alta pureza de cada elemento se funden juntas en una cámara llena de argón para crear un material uniforme.

La clave de nuestro estudio fue entender cómo la estructura de estas aleaciones se relaciona con sus propiedades superconductoras. Al analizar la disposición atómica usando difracción de rayos X, confirmamos que ReOMWZ tiene una estructura no centrosimétrica, mientras que RuOMWZ formó una estructura hexagonal.

#Hallazgos Clave sobre Superconductividad

Medimos las temperaturas en las que ambas aleaciones transicionan al estado superconductor, conocido como temperatura de transición superconductora (T_c). Para ReOMWZ, esta temperatura estaba alrededor de 4.90 Kelvin, mientras que RuOMWZ tuvo una transición a aproximadamente 2.90 Kelvin. Estas lecturas sugieren que ambos materiales pueden transportar electricidad sin resistencia a temperaturas muy bajas.

Otro aspecto importante de los superconductores son sus campos magnéticos críticos, que es la máxima intensidad del campo magnético que pueden tolerar antes de dejar de ser superconductores. En nuestras pruebas, encontramos que ambas aleaciones tienen campos críticos superiores que superan los límites habituales establecidos por las propiedades magnéticas conocidas. Esto indica un comportamiento potencialmente no convencional en su naturaleza superconductora.

#Calor y Magnetismo

Como parte de nuestro estudio, medimos cómo ambas aleaciones responden a cambios en la temperatura y los campos magnéticos. Usamos mediciones de calor específico para entender cómo se absorbe y libera el calor a medida que los materiales transicionan del estado normal al estado superconductor. Estos experimentos mostraron un salto distinto en el calor específico en las temperaturas de transición superconductoras, indicando un cambio claro en el comportamiento.

Las mediciones también revelaron que ambas aleaciones exhiben un patrón específico de propiedades térmicas que se alinean con lo que se esperaría de los superconductores. Específicamente, los datos sugirieron que se abre un hueco isotrópico en la temperatura de transición, lo que ayuda a confirmar la naturaleza superconductora de los materiales.

#Resistencia Eléctrica

También examinamos cómo cambia la resistencia eléctrica a medida que la temperatura baja, lo cual es crítico para entender la superconductividad. Nuestras mediciones de resistividad en campo cero mostraron que ambos materiales tienen bajos ratios de resistividad residual, lo que indica que se comportan como metales pobres. Esto significa que no permiten fácilmente que la electricidad fluya antes de entrar en el estado superconductor.

La concentración de portadores de carga, que nos dice sobre el número de partículas que llevan carga eléctrica, fue calculada para ambas aleaciones. Los datos indicaron que los electrones son los principales portadores de carga, consistente con hallazgos en otros superconductores HEA.

#Perspectivas de la Magnetización

Las mediciones magnéticas fueron cruciales para confirmar el comportamiento superconductor de estas aleaciones. Al observar cómo los materiales respondían a campos magnéticos en diferentes condiciones, pudimos validar la presencia de superconductividad. Las curvas de magnetización para ambas aleaciones mostraron una fuerte señal diamagnética, que es un sello distintivo de la superconductividad.

Realizamos pruebas adicionales para determinar el campo crítico inferior, el punto en el que los campos magnéticos comienzan a afectar el estado superconductor. Nuestros hallazgos mostraron que tanto ReOMWZ como RuOMWZ tienen campos críticos inferiores significativos, lo que refuerza su clasificación como superconductores tipo II.

#Explorando Futuras Aplicaciones

Los resultados emocionantes de nuestro estudio presentan nuevas oportunidades para aplicar estas HEAs en tecnología. Las propiedades únicas que se ven en ReOMWZ y RuOMWZ podrían abrir el camino para materiales superconductores avanzados que podrían usarse en varias aplicaciones, incluyendo transmisión de energía, levitación magnética y computación cuántica.

Sin embargo, se necesita más investigación para entender completamente los mecanismos que impulsan la superconductividad en estas aleaciones. Estudios futuros podrían investigar el papel del desorden estructural y las propiedades electrónicas específicas de estos materiales para ayudar a delinear cómo pueden optimizarse para su uso práctico.

#Conclusión

En resumen, nuestra exploración de las propiedades superconductoras de las nuevas aleaciones de alta entropía ReOMWZ y RuOMWZ ha revelado resultados prometedores. Ambos materiales exhiben superconductividad a bajas temperaturas y poseen propiedades clave que sugieren que pueden comportarse de manera diferente a los superconductores tradicionales. Al combinar varios metales de transición, hemos creado aleaciones únicas que ofrecen un vistazo al futuro de la ciencia de materiales y allanan el camino para tecnologías innovadoras. Se requerirán más investigaciones para desbloquear todo el potencial de estos fascinantes materiales.