Una familia de electrones crea un estado de la materia desconocido hasta ahora

Hito en la investigación de materiales: Es posible un nuevo tipo de superconductividad

09.11.2021 - Alemania

Un equipo internacional de investigación del Clúster de Excelencia ct.qmat-Complejidad y Topología en la Materia Cuántica ha demostrado un estado de la materia totalmente novedoso en un metal. Se crea mediante la combinación de cuatro electrones; hasta ahora sólo se conocían los pares de electrones. Este descubrimiento podría conducir a un nuevo tipo de superconductividad, a una dirección de investigación totalmente nueva y a tecnologías revolucionarias como los sensores cuánticos.

El transporte de energía eléctrica sin disipación -también conocido como superconductividad- se considera un faro de esperanza para la industria energética. Desde su descubrimiento hace más de 100 años, científicos de todo el mundo han investigado este conocido fenómeno cuántico que, sin embargo, requiere que los electrones de los metales se enfríen a temperaturas ultrabajas. Un equipo de científicos del Cluster de Excelencia ct.qmat-Complejidad y Topología en la Materia Cuántica de las Universidades de Dresde y Würzburg ha realizado ahora un notable descubrimiento: En ciertos metales superconductores, un compuesto de cuatro electrones garantiza la creación de un estado de la materia completamente nuevo. Hasta ahora, sólo se sabía que los pares de electrones desempeñaban un papel en la superconductividad. El descubrimiento del equipo de investigación dirigido por el profesor Hans-Henning Klauss, de la Universidad Técnica de Dresde, se considera por tanto un hito en la investigación de materiales. Los resultados de la investigación se han publicado en la revista Nature Physics.

La familia de los electrones sorprende a los investigadores

En física cuántica, la superconductividad, descubierta ya en 1911, es probablemente el fenómeno más conocido hasta la fecha. Sus fundamentos teóricos se comprenden desde la década de 1950. Se trata de que, a temperaturas ultrabajas, los electrones ya no se mueven por un metal de forma individual, sino como pares. Los pares de electrones no chocan con la red atómica, por lo que pueden transportar su carga sin pérdida de energía.

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Cuando los investigadores de Dresde, dirigidos por Henning Klauss, investigaron experimentalmente el metal superconductor Ba1-xKxFe2As2, de la clase de los pnicítidos de hierro, sospecharon inicialmente que se trataba de un error: "Cuando descubrimos que, de repente, cuatro electrones en lugar de dos formaban un enlace, primero creímos que era un error de medición. Pero cuantos más métodos utilizamos para confirmar el resultado, más claro quedó que tenía que ser un fenómeno nuevo: todos los datos coinciden con el mismo resultado. Ahora sabemos que la familia de electrones de cuatro partículas de ciertos metales crea un estado de materia completamente nuevo cuando se enfría a temperaturas ultrabajas. En los próximos años se sabrá a qué conduce esto en el futuro", comenta el físico de Dresde Hans-Henning Klauss.

Resultados probados durante más de dos años

Hace ya unos diez años, se predijo teóricamente que en ciertos metales superconductores podría existir un estado de la materia poco habitual, en el que intervienen cuatro electrones en lugar de dos. El equipo internacional de investigación del Clúster de Excelencia ct.qmat ha aportado ahora la primera prueba experimental. Se ha analizado durante dos años utilizando siete métodos diferentes.

"Primero descubrimos el nuevo estado de la materia en un acelerador de partículas suizo. Después pudimos confirmar nuestros resultados con otros seis métodos in situ en Dresde y en la Universidad de Estocolmo. La gran ventaja de la ubicación de Dresde son las cortas distancias: Puedo llevar mi muestra casi a pie al Instituto Leibniz o al Centro Helmholz", subraya el experimentador principal del proyecto, el Dr. Vadim Grinenko, de la Universidad Técnica de Dresde. La interpretación teórica de los resultados de las mediciones procede del físico sueco Prof. Egor Babaev.

Es posible un nuevo tipo de superconductividad

El descubrimiento de los pnicítidos de hierro como clase de materiales especialmente adecuados para la superconductividad ya desencadenó un boom mundial de investigación en física y ciencia de los materiales a partir de 2008. La industria energética tiene grandes esperanzas puestas en el popular fenómeno cuántico, ya que en el transporte convencional de energía se pierde hasta un 15 por ciento debido a la resistencia al transporte. "Si se pudiera transportar realmente la electricidad a través del país en metales superconductores a temperatura ambiente, unas diez grandes centrales eléctricas serían superfluas de inmediato", dice Klauss. Sin embargo, la investigación básica -como la del profesor Klauss- se ocupa de comprender la física subyacente y, como mucho, puede especular sobre futuras aplicaciones.

"Se puede suponer que nuestros resultados darán lugar a toda una nueva línea de investigación, buscando otros metales con cuatro electrones conectados, por ejemplo, o explorando cómo hay que cambiar los materiales para crear una familia de electrones", explica Klauss. "En términos puramente teóricos, también sería posible un tipo de superconductividad totalmente nuevo con nuestra familia de electrones. Lo único cierto es que los pnicítidos de hierro son muy adecuados para tecnologías como los sensores cuánticos debido a su nuevo estado de agregación".

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