Nuevos conocimientos sobre los procesos superconductores

Los físicos demuestran la cuantificación de la energía en superconductores de alta temperatura

12.02.2020 - Alemania

El desarrollo de una computadora cuántica que pueda resolver problemas, que las computadoras clásicas sólo pueden resolver con gran esfuerzo o no pueden resolver en absoluto, es el objetivo que persigue actualmente un número cada vez mayor de equipos de investigación en todo el mundo. La razón: Los efectos cuánticos, que se originan en el mundo de las partículas y estructuras más pequeñas, permiten muchas nuevas aplicaciones tecnológicas. Los llamados superconductores, que permiten procesar información y señales de acuerdo con las leyes de la mecánica cuántica, se consideran componentes prometedores para la realización de computadoras cuánticas. Un punto conflictivo de las nanoestructuras superconductoras, sin embargo, es que sólo funcionan a temperaturas muy bajas y por lo tanto son difíciles de llevar a aplicaciones prácticas.

Los investigadores de la Universidad de Münster y del Forschungszentrum Jülich han demostrado por primera vez lo que se conoce como cuantificación de energía en nanocables hechos de superconductores de alta temperatura, es decir, superconductores en los que la temperatura se eleva por debajo de la cual predominan los efectos mecánicos cuánticos. El nanocable superconductor asume entonces sólo estados de energía seleccionados que podrían ser usados para codificar información. En los superconductores de alta temperatura, los investigadores también pudieron observar por primera vez la absorción de un solo fotón, una partícula de luz que sirve para transmitir información.

"Por un lado, nuestros resultados pueden contribuir al uso de una tecnología de enfriamiento considerablemente simplificada en las tecnologías cuánticas en el futuro, y por otro lado, nos ofrecen una visión completamente nueva de los procesos que rigen los estados superconductores y su dinámica, que aún no se comprenden", subraya el líder del estudio, Jun. El profesor Carsten Schuck del Instituto de Física de la Universidad de Münster. Por consiguiente, los resultados pueden ser pertinentes para el desarrollo de nuevos tipos de tecnología informática.

Antecedentes y métodos

Los científicos utilizaron superconductores hechos de los elementos itrio, bario, óxido de cobre y oxígeno, o YBCO para abreviar, a partir de los cuales fabricaron unos pocos nanómetros de cable. Cuando estas estructuras conducen la corriente eléctrica se producen dinámicas físicas llamadas deslizamientos de fase. En el caso de los nanocables del YBCO, las fluctuaciones de la densidad del portador de la carga causan variaciones en la supercorriente. Los investigadores investigaron los procesos en los nanocables a temperaturas inferiores a 20 Kelvin, lo que corresponde a 253 grados centígrados bajo cero. En combinación con los cálculos del modelo, demostraron una cuantificación de los estados de energía en los nanocables. La temperatura a la que los cables entraron en el estado cuántico se encontró entre 12 y 13 Kelvin, una temperatura varios cientos de veces más alta que la requerida para los materiales normalmente utilizados. Esto permitió a los científicos producir resonadores, es decir, sistemas oscilantes sintonizados con frecuencias específicas, con una vida útil mucho más larga y mantener los estados mecánicos cuánticos durante más tiempo. Este es un requisito previo para el desarrollo a largo plazo de ordenadores cuánticos cada vez más grandes.

Absorción de un solo fotón en superconductores de alta temperatura

Otros componentes importantes para el desarrollo de las tecnologías cuánticas, pero potencialmente también para los diagnósticos médicos, son los detectores que pueden registrar incluso fotones simples. El grupo de investigación de Carsten Schuck en la Universidad de Münster ha estado trabajando durante varios años en el desarrollo de tales detectores de un solo fotón basados en superconductores. Lo que ya funciona bien a bajas temperaturas, los científicos de todo el mundo han estado tratando de lograr con superconductores de alta temperatura durante más de una década. En los nanocables del YBCO utilizados para el estudio, este intento ha tenido éxito por primera vez. "Nuestros nuevos hallazgos preparan el camino para nuevas descripciones teóricas y desarrollos tecnológicos verificables experimentalmente", dice el co-autor Martin Wolff del grupo de investigación Schuck.

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