Durante décadas, ZX Shen ha despertado una ola de curiosidad sobre el extraño comportamiento de los electrones que pueden hacer levitar imanes.
Zhi-Xun Shen recuerda vívidamente a su maestro de física de la escuela secundaria demostrando el poder de los rayos X al sacar un trozo de material radiactivo de un frasco almacenado en un gabinete, dejarlo caer en un balde y hacer que los estudiantes pusieran sus manos entre el balde y un fósforo. pantalla para revelar los huesos escondidos debajo de la piel y la carne.
“Eso dejó una impresión”, recuerda Shen con una sonrisa. A veces se pregunta si ese momento preparó el escenario para todo lo que siguió.
Shen, admite, no tenía un gran interés en la física. No había muchos incentivos para estudiar a mediados de la década de 1970 en China. El país estaba en las garras de la Revolución Cultural de 1966, que había cerrado todas las universidades y había dejado a la mayor parte del país, incluida la ciudad al sur de Shanghai, donde sus padres trabajaban en medicina, en la pobreza. Pero cuando Shen y su madre vieron a su hermano subir a un autobús hacia el campo para “reeducación” en un campo de trabajos forzados una mañana fría, ella se volvió hacia él y le dijo: “Tú eres nuestra esperanza para una educación universitaria”.
Aun así, dadas las circunstancias de la familia, la universidad parecía un sueño imposible. Entonces, una serie poco probable de eventos lo cambió todo.
En 1977, terminó la Revolución Cultural y se reabrieron las universidades.
Zhi-Xun Shen. Crédito: Cortesía de SLAC
Cuando el mismo maestro inspirador de escuela secundaria organizó una competencia de física, Shen, que entonces tenía 16 años, ingresó y quedó en primer lugar en todos los niveles: escuela, distrito, ciudad y provincia. Fue fascinante y aumentó su confianza en sí mismo, cimentando su sentimiento de que la física era el campo para él, pero ¿a dónde podría conducir?
Shen ganó un lugar en la universidad antes de graduarse de la escuela secundaria, pero se retuvo un año por consejo de su padre, luego ingresó al programa de física en la Universidad Fudan en Shanghai.
Y en su tercer año como estudiante de física, tomó un examen de ingreso para un programa recién lanzado por el premio Nobel chino-estadounidense Tsung-Dao Lee que trajo a un número limitado de estudiantes chinos a los Estados Unidos para realizar estudios avanzados en física.
Así es como, en marzo de 1987, Shen se encontró en una sesión de conferencia repleta de toda la noche que se conoció como el Woodstock of Physics, donde casi 2.000 científicos compartieron los últimos desarrollos relacionados con el descubrimiento de una nueva clase de cuántica. materiales conocidos como superconductores de alta temperatura. Estos materiales exóticos conducen la electricidad sin pérdidas a temperaturas mucho más altas de lo que nadie hubiera creído posible, y expulsan campos magnéticos con tanta fuerza que pueden hacer levitar un imán. Su descubrimiento tuvo implicaciones revolucionarias para la sociedad, prometiendo mejores máquinas de imágenes magnéticas para la medicina, transmisión eléctrica perfectamente eficiente para líneas eléctricas, trenes de levitación magnética y cosas que aún no hemos soñado.
“Pude llegar temprano y conseguir un asiento en la sala donde se estaban llevando a cabo las conversaciones”, recordó Shen. “Para mí, fue lo más emocionante: de repente se abrió una frontera completamente nueva de la ciencia”.
Una revolución de herramientas
En otro extraordinario golpe de suerte, se encontraba en una posición perfecta para saltar a esta nueva frontera, no solo para sondear los estados cuánticos de la materia que subyacen a la superconductividad, sino para desarrollar herramientas cada vez más precisas para hacerlo.
Como estudiante de doctorado en la Universidad de Stanford, había estado usando rayos X extremadamente brillantes para investigar materiales relacionados en lo que ahora es SLAC National Accelerator Laboratory, justo arriba de la colina del campus principal. Tan pronto como terminó la reunión, se dedicó a aplicar la técnica que había estado usando, llamada espectroscopia de fotoemisión resuelta en ángulo, o ARPES, a los nuevos superconductores.
Más de tres décadas después, con muchos descubrimientos importantes en su haber, pero el enigma completo de cómo funcionan estos materiales aún sin resolver, Shen es profesor Paul Pigott de Ciencias Físicas en la Facultad de Humanidades y Ciencias de Stanford y profesor de ciencia de fotones en SLAC. Él y sus colegas están dando los toques finales a lo que podría ser el sistema más avanzado del mundo para sondear superconductores no convencionales y otras formas exóticas de materia para ver qué los motiva.
Las partes clave del sistema están a solo unos pasos de la línea de rayos X en la fuente de luz de radiación de sincrotrón de Stanford (SSRL) de SLAC, donde Shen llevó a cabo esos primeros experimentos. Uno de ellos es una configuración recientemente mejorada en la que los científicos pueden construir con precisión muestras de material superconductor una capa atómica a la vez, transportarlas a través de un tubo y una cámara de vacío a la línea de luz SSRL sin exponerlas al aire y realizar mediciones muchas veces más altas. resolución que nunca antes fue posible. Los materiales que construyen también se transportan al primer láser de rayos X de electrones libres del mundo, la fuente de luz coherente Linac de SLAC, para obtener mediciones de precisión que no son posibles por otros medios.
Colaboraciones electrónicas
Estas configuraciones experimentales se diseñaron con un propósito singular en mente: desentrañar el comportamiento extrañamente colaborativo de los electrones, que Shen y otros creen que es la clave para descubrir los secretos de la superconductividad y otros fenómenos en una amplia gama de materiales cuánticos.
La búsqueda de Shen de respuestas a este acertijo está impulsada por su curiosidad sobre “cómo sucedió este fenómeno extraordinario que no debería haber sucedido”, dijo. “Se podría argumentar que es un fenómeno cuántico macroscópico, la naturaleza tratando desesperadamente de revelarse. Solo sucede porque esos electrones trabajan juntos de cierta manera “.
Los primeros superconductores, descubiertos en 1911, fueron metales que se volvieron perfectamente conductores cuando se enfriaron por debajo de 30 kelvins, o menos 406 grados. Fahrenheit. Los teóricos tardaron alrededor de 50 años en explicar cómo funcionaba esto: los electrones interactuaban con las vibraciones en la red atómica del material de una manera que superó la repulsión natural entre sus cargas negativas y les permitió emparejarse y viajar sin esfuerzo, sin resistencia. Es más, estos pares de electrones se superpusieron y formaron un condensado, un estado de la materia completamente diferente, cuyo comportamiento colectivo solo podría explicarse por las reglas no intuitivas de la mecánica cuántica.
Los científicos pensaron, por varias razones, que esto no podría ocurrir a temperaturas más altas. Así que el descubrimiento en 1986 de materiales que se superconducen a temperaturas de hasta menos 225 grados Fahrenheit fue un shock. Más extraño aún, los materiales de partida para esta forma de superconductividad fueron los aislantes, cuya misma naturaleza se esperaría que frustrara el viaje de electrones.
En un metal perfecto, explicó Shen, cada uno de los electrones individuales es perfecto en el sentido de que puede fluir libremente, creando una corriente eléctrica. Pero estos metales perfectos con electrones individuales perfectos no son superconductores.
Por el contrario, los electrones en los materiales que dan lugar a la superconductividad son imperfectos, en el sentido de que no tienen libertad para fluir. Pero una vez que deciden cooperar y condensarse en un estado superconductor, no solo pierden esa resistencia, sino que también pueden expulsar campos magnéticos y hacer levitar imanes.
“Entonces, en ese sentido, la superconductividad es muy superior”, dijo Shen. “El comportamiento del sistema trasciende al de los individuos y eso me fascina. Tú y yo estamos hechos de hidrógeno, carbono y oxígeno, pero el hecho de que podamos tener esta conversación no es una propiedad de esos elementos individuales “.
Aunque se han planteado muchas teorías, los científicos aún no saben qué hace que los electrones se emparejen a temperaturas tan altas en estos materiales. La búsqueda ha sido un largo camino, han pasado 33 años desde esa loca noche de Woodstock, pero a Shen no le importa. Les dice a sus alumnos que un gran desafío científico es como un rompecabezas que se resuelve una pieza a la vez. Las mejores herramientas están enfocando gradualmente la imagen completa, dice, y ya hemos recorrido un largo camino.
