Superconductores exóticos: El secreto que no existía

Nuevas mediciones lo demuestran: Un efecto supuestamente sensacional no existe en absoluto

23.06.2021 - Austria

Un solo resultado de medición no es una prueba: esto se ha demostrado una y otra vez en la ciencia. Sólo podemos confiar realmente en el resultado de una investigación cuando se ha medido varias veces, preferiblemente por diferentes equipos de investigación, de formas ligeramente diferentes. De este modo, los errores suelen detectarse antes o después.

Sin embargo, un nuevo estudio realizado por el profesor Andrej Pustogow, del Instituto de Física del Estado Sólido de la Universidad Técnica de Viena, junto con otros equipos de investigación internacionales, demuestra que a veces esto puede llevar bastante tiempo. La investigación sobre el rutenato de estroncio, un material que desempeña un papel importante en la superconductividad no convencional, ha desmentido ahora un experimento que adquirió fama en los años 90: se creía que se había descubierto una nueva forma de superconductividad. Sin embargo, ahora resulta que el material se comporta de forma muy similar a otros superconductores de alta temperatura ya conocidos. No obstante, se trata de un importante paso adelante en la investigación.

Dos partículas con espín acoplado

La superconductividad es uno de los grandes misterios de la física del estado sólido: ciertos materiales pierden completamente su resistencia eléctrica a bajas temperaturas. Este efecto aún no se comprende del todo. Lo que sí es cierto es que los llamados "pares de Cooper" desempeñan un papel fundamental en la superconductividad.

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En un metal normal, la corriente eléctrica está formada por electrones individuales que chocan entre sí y con los átomos del metal. En un superconductor, los electrones se mueven por pares. "Esto cambia radicalmente la situación", explica Andrej Pustogow. "Es similar a la diferencia entre una multitud en una concurrida calle comercial y el movimiento aparentemente sin esfuerzo de una pareja de baile en la pista". Cuando los electrones se unen en pares de Cooper, no pierden energía por dispersión y se mueven por el material sin ninguna perturbación. La pregunta crucial es: ¿Qué condiciones conducen a esta formación de pares de Cooper?

"Desde el punto de vista de la física cuántica, lo importante es el espín de estos dos electrones", dice Andrej Pustogow. El espín es el momento magnético de un electrón y puede apuntar hacia arriba o hacia abajo. Sin embargo, en los pares de Cooper se produce un acoplamiento: en un estado "singlete", el espín de un electrón apunta hacia arriba y el del otro apunta hacia abajo. Los momentos magnéticos se anulan mutuamente y el espín total del par es siempre cero.

Sin embargo, esta regla, que siguen casi todos los superconductores, parecía romperse con los pares de Cooper del rutenato de estroncio (Sr2RuO4). En 1998 se publicaron resultados que indicaban pares de Cooper en los que los espines de ambos electrones apuntan en la misma dirección (entonces se trata de un llamado "triplete de espín"). "Esto permitiría aplicaciones completamente nuevas", explica Andrej Pustogow. "Estos pares de Cooper triples ya no tendrían un espín total de cero. Esto permitiría manipularlos con campos magnéticos y utilizarlos para transportar información sin pérdidas, lo que sería interesante para la espintrónica y los posibles ordenadores cuánticos."

Esto causó un gran revuelo, entre otras cosas porque el rutenato de estroncio también se consideraba un material especialmente importante para la investigación de la superconductividad por otras razones: su estructura cristalina es idéntica a la de los cupratos, que presentan superconductividad a alta temperatura. Mientras que estos últimos se dopan deliberadamente con "impurezas" para hacer posible la superconductividad, el Sr2RuO4 ya es superconductor en su forma pura.

Nueva medición, nuevo resultado

"En realidad, estudiamos este material por una razón completamente diferente", dice Andrej Pustogow. "Pero en el proceso, nos dimos cuenta de que estas antiguas mediciones no podían ser correctas". En 2019, el equipo internacional pudo demostrar que el efecto de espín supuestamente exótico no era más que un artefacto de medición: la temperatura medida no coincidía con la temperatura real de la muestra estudiada; de hecho, la muestra estudiada entonces no era superconductora en absoluto. Teniendo en cuenta esta constatación, se volvió a examinar la superconductividad del material con gran precisión. Los nuevos resultados muestran claramente que el rutenato de estroncio no es un superconductor de tripletes. Más bien, las propiedades corresponden a lo que ya se conoce de los cupratos.

Sin embargo, Andrej Pustogow no encuentra esto decepcionante: "Es un resultado que hace avanzar nuestra comprensión de la superconductividad de alta temperatura en estos materiales. El hallazgo de que el rutenato de estroncio muestra un comportamiento similar al de los cupratos significa dos cosas: Por un lado, demuestra que no estamos ante un fenómeno exótico y nuevo, y por otro, significa también que tenemos a nuestra disposición un nuevo material en el que podemos investigar fenómenos ya conocidos." El rutenato de estroncio ultrapuro es más adecuado para ello que los materiales conocidos hasta ahora. Ofrece un campo de pruebas mucho más limpio que los cupratos.

Además, también se aprende algo sobre la fiabilidad de las publicaciones antiguas y generalmente aceptadas: "En realidad, uno podría pensar que los resultados en la física del estado sólido difícilmente pueden ser erróneos", dice Pustogow. "Mientras que en medicina hay que conformarse con unos pocos ratones de laboratorio o una muestra de mil sujetos de prueba, nosotros examinamos miles de millones de electrones (unos 10 a la potencia de 19) en un solo cristal. Esto aumenta la fiabilidad de nuestros resultados. Pero eso no significa que todos los resultados sean completamente correctos. Como en toda la ciencia, en nuestro campo es indispensable reproducir los resultados anteriores, y también falsificarlos".

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