Un nuevo estado eléctrico en los superconductores, que había sido predicho por la mecánica cuántica, ha sido finalmente demostrado experimentalmente por físicos de la Universidad de Pennsylvania.

Universidad del Estado de Pennsylvania (Penn State University)

Confirmada experimentalmente la existencia de un nuevo estado electrónico en los superconductores

La existencia de un Nuevo estado electrónico en los superconductores (materiales que pueden transportar una corriente eléctrica sin oponer resistencia) ha sido confirmada experimentalmente, según indica la investigación llevada a cabo por un equipo comandado por Ying Liu, profesor asociado de física en la Universidad del Estado de Pennsylvania, y que fue publicada en la edición del 12 de Noviembre del 2004 de la revista Science. “Hemos establecido evidencias directas de la existencia de un superconductor de paridad-impar, lo cual ya había sido teorizado con anterioridad aunque jamás se había demostrado inequívocamente en un experimento”, comenta Liu. Estos resultados suponen la culminación a seis años de experimentación llevados a cabo por Liu en colaboración con Kart Nelson (exalumno graduado) y Zhiqiang Mao (exsocio de post-doctorado) de la Universidad del Estado de Pennsylvania; además de Yoshiteru Maeno, profesor de física de la Universidad de Kyoto.

Más allá de su interés científico, los superconductores tienen un buen número de aplicaciones prácticas. Entre estas se incluyen los imanes superconductores, que posibilitan el desarrollo de los visores de resonancia magnética en alta resolución empleados en medicina, y también los cables superconductores, que transportan corriente casi sin la pérdida energética que produce el calentamiento del cable a causa de la resistencia eléctrica.

Un material se hace superconductor porque los electrones que lo componen se agrupan en parejas, conocidas como pares de Cooper. Liu compara el proceso de emparejamiento con un salón de baile: “Los electrones, amontonados, forman parejas y se mueven al son de la ‘música’ de la fase de coherencia, una propiedad mecanocuántica que sincroniza los pasos de todas la parejas de baile”. Estos pares, descritos matemáticamente por una función de onda mecanocuántica, se mueven firmemente juntos a pesar de las tendencias que les fuerzan a separarse.

Imagen de un SQUID de rutenato de estroncio (Sr2RuO4) empleado para demostrar que este compuesto es un superconductor de paridad-impar. Se deposita una fina capa de superconductor convencional en el frontal y a ambos lados de un cristal negro de Sr2RuO4. Se unen cables de oro (Au) con un diámetro de 25 micrones al SQUID para medir las corrientes. Crédito: Innovations Report

Los físicos, basándose en las características mecanocuánticas de los pares de Cooper, teorizan que en los superconductores existen dos categorías de estados electrónicos. Aunque sus propiedades varían grandemente, casi todos los superconductores hallados hasta la fecha pertenecen a la misma categoría, ya que comparten una propiedad fundamental conocida como simetría de paridad-par. “Podemos imaginar que cada uno de los pares de Cooper de un superconductor nace con un diminuto reloj interno de una única aguja, que va indicando el ‘tiempo’, o la fase, del par”, explica Liu. “Cuando la aguja señala la medianoche la fase del par de Cooper es de cero grados. Cuando la aguja señala las tres, la fase es de 90 grados, a las seis es de 180 grados. La mecánica cuántica dice que las fases de dos pares que se mueven en direcciones contrarias diferirán exactamente en cero o 180 grados”. Si los relojes de dos pares de Cooper que se muevan en sentido contrario indican la misma hora, se dice que la simetría de ambos pares tiene paridad-par.

En los superconductores elementales (los primeros en descubrirse hace casi 100 años) los dos electrones del par tienden a permanecer juntos sin ningún movimiento relativo. En los así llamados “materiales superconductores a altas temperaturas”, descubiertos hace un par de décadas y de cuyo funcionamiento aún sabemos poco, los electrones de un par tienden a estar mucho más alejados y poseen un movimiento relativo sustancial. Aunque estos pares de Cooper se comportan de manera muy distinta y a pesar de que los superconductores formados con ellos muestran rasgos muy diferenciados, ambos comparten la propiedad de la simetría de paridad-par.

Por otro lado, si los relojes de dos pares que se mueven en sentido contrario difieren en 6 horas (una diferencia de fase de 180 grados) decimos que la simetría de los pares de Cooper es de paridad-impar. Estos pares de Cooper de paridad-impar forman un nuevo estado electrónico en los superconductores. “La simetría de los emparejamientos es importante ya que dicta muchas propiedades físicas en los superconductores. Un superconductor de paridad impar se comporta de manera muy diferente respecto a otro de paridad-par”, comenta Liu. El artículo aparecido en Science “Superconductividad de paridad-impar en el Sr2RuO4”, confirma de manera inequívoca que el rutenato de estroncio o Sr2RuO4 (único material compuesto por óxido de rutenio que actúa como superconductor) es miembro de esta categoría de superconductores de paridad-impar.

Aunque otros experimentos dejaban entrever la existencia del emparejamiento de paridad-impar, ha sido el de Liu el que ha aportado la primera prueba definitiva de este nuevo tipo de emparejamiento. “Los teóricos habían predicho que la superconductividad ligada al rutenato de estroncio podía estar asociada al emparejamiento de paridad-impar”, comenta Liu. “Los experimentos anteriores aportaron múltiples evidencias que apoyaban esta predicción, pero al mismo tiempo sus resultados podían cuestionarse mediante contraejemplos, por lo que también podían atribuirse a otras causas. Nuestro experimento es una prueba definitiva del emparejamiento de paridad-impar que zanja el asunto”.

Estructura del cristal de rutenato de estroncio Sr2RuO4: capas de octaedros de RuO6 (hexaóxido de rutenio) separadas por otras capas de SrO2 (dióxido de estroncio). Crédito: Innovations Report

La idea básica del experimento es la de medir la dependencia de la fase de la función de onda del par de Cooper con relación a la dirección en la que éste se mueve, usando el fenómeno de la interferencia de onda. “En esencia, lo que queremos es comparar los relojes de los pares de Cooper del rutenato de estroncio moviéndose en direcciones opuestas. Conectamos el superconductor de rutenato de estroncio a un conductor convencional de paridad-par a través de dos superficies paralelas enfrentadas, formando lo que se conocen como uniones Josephson. Este procedimiento crea un dispositivo superconductor de interferencia cuántica conocido como SQUID. Los relojes de los pares de rutenato de estroncio que se mueven hacia el superconductor convencional a través de las dos uniones están entonces separados por seis horas, es decir sus fases difieren 180 grados. Las ondas de los pares de Cooper de las dos uniones se interferirán entonces destructivamente”, comenta Liu. Estos patrones de interferencia fueron detectados al medir la corriente que pasa a través del SQUID en función de un campo magnético aplicado. Al confirmar a través de los patrones de interferencia, que los pares de Cooper que se mueven opuestamente se posicionan naturalmente a si mismos en sus respectivas zonas horarias, separadas por seis horas (una diferencia de fase de 180 grados), el equipo de Liu demostró que el rutenato de estroncio exhibe simetría de paridad-impar.

El descubrimiento interesa a los físicos porque abre un nuevo campo científico que además podría tener aplicaciones muy útiles. “En la naturaleza, las partículas pueden emparejarse de formas específicas dependiendo de las interacciones que creen las fuerzas atractivas”, dice Liu. “Se cree que el emparejamiento de paridad-impar debe existir en sistemas poco usuales, desde los pequeños y fríos -- tales como átomos de helio 3 a temperaturas bajísimas, del orden de 2.000 milésimas de grado por encima del cero absoluto -- hasta los grandes y calientes -- como los neutrones, a temperaturas de cientos de millones de grados, que componen las estrellas de neutrones”.

El fenómeno de la superconductividad de paridad-impar en los rutenatos de estroncio solo sucede a temperaturas comprendidas entre uno y medio grado por encima del cero absoluto, muy por debajo de la temperatura ambiente. Sin embargo, Liu señala que ahora que se ha demostrado la existencia de los superconductores de paridad-impar, deberíamos estudiar los rasgos únicos de este tipo de superconductor en busca de sus aplicaciones prácticas potenciales. Además de posibilitar la expansión de los usos actuales de los superconductores, en el futuro, los de paridad-impar podrían ser de utilidad en propósitos especiales, por ejemplo en la investigación para el desarrollo de ordenadores cuánticos.

Lea el artículo original (en inglés) aquí.

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Nota del traductor: SQUID acrónimo de Superconducting QUantum Interference Device, es decir: Dispositivo Superconductor de Interferencia Cuántica.

Traducido por Miguel Artime para