Los momentos de silencio señalan el camino hacia mejores superconductores
Los patrones temporales podrían mostrarnos cómo reducir el ruido en los dispositivos superconductores
Las mediciones de alta precisión han proporcionado importantes pistas sobre los procesos que merman la eficiencia de los superconductores. Los trabajos futuros basados en esta investigación podrían ofrecer mejoras en una serie de dispositivos superconductores, como los ordenadores cuánticos y los detectores de partículas sensibles.
El aparato consistía en un superconductor de aluminio a escala micrométrica separado de un conductor normal -cobre metálico- por una fina capa aislante. Cuando los pares de Cooper del superconductor se rompían, las cuasipartículas atravesaban el aislamiento hasta llegar al cobre, donde los investigadores las observaban con un detector de carga.
Aalto University
La superconductividad depende de la presencia de electrones unidos en un par de Cooper. Dos electrones se acoplan debido a las interacciones con la red metálica, sincronizándose entre sí a pesar de estar separados por cientos de nanómetros. Por debajo de una temperatura crítica, estos pares de Cooper actúan como un fluido que no disipa energía, por lo que no ofrecen resistencia a la corriente eléctrica.
Pero los pares de Cooper a veces se rompen, disipándose en dos cuasipartículas -electrones no apareados- que dificultan el rendimiento de los superconductores. Los científicos aún no saben por qué se rompen los pares de Cooper, pero la presencia de cuasipartículas introduce ruido en las tecnologías basadas en los superconductores.
Incluso si sólo hubiera una cuasipartícula por cada mil millones de pares de Cooper, eso limitaría el rendimiento de los bits cuánticos e impediría que un ordenador cuántico funcionara sin problemas", afirma Elsa Mannila, que investigó las cuasipartículas en la Universidad de Aalto antes de trasladarse al Centro de Investigación Técnica VTT de Finlandia. Si hay más partículas no apareadas, la vida útil de los qubits también es más corta", añade.
Largos silencios
Entender el origen de estas cuasipartículas -en otras palabras, saber por qué se rompen los pares de Cooper- sería un paso para mejorar el rendimiento de los superconductores y las numerosas tecnologías que dependen de ellos. Para responder a esta pregunta, los investigadores de Aalto midieron con precisión la dinámica de la ruptura de los pares de Cooper en un superconductor.
La gente suele medir el número medio de cuasipartículas, por lo que no sabe cómo es la secuencia en el tiempo. Queríamos averiguar exactamente cuándo se rompen los pares de Cooper y cuántos pares se rompen al mismo tiempo", explica el profesor Jukka Pekola, de la Universidad de Aalto.
Junto con investigadores de la Universidad de Lund y de la VTT, el equipo de Aalto puso en marcha un experimento para detectar pequeñas cantidades de cuasipartículas en tiempo real. El aparato consistía en un superconductor de aluminio a escala micrométrica separado de un conductor normal -cobre metálico- por una fina capa aislante. Cuando los pares de Cooper del superconductor se rompían, las cuasipartículas atravesaban el aislamiento hasta llegar al cobre, donde los investigadores las observaban con un detector de carga.
El reto consistía en conseguir que muchas cosas funcionaran juntas", dice Mannila. El análisis dependía de tener sólo un pequeño número de cuasipartículas, lo que significaba que el experimento en las instalaciones OtaNano de Aalto tenía que estar protegido de la radiación y de las perturbaciones externas, además de estar refrigerado hasta casi el cero absoluto. Los investigadores también necesitaban detectar los eventos de tunelización en tiempo real con una resolución de microsegundos, lo que lograron con un amplificador superconductor de ruido ultrabajo desarrollado por Quantum Technology Finland y VTT.
Ráfagas de ruido
Los investigadores descubrieron que los pares de Cooper se rompen en ráfagas, con largos periodos de silencio interrumpidos por ráfagas muy cortas de cuasipartículas. La imagen que surgió es que la mayor parte del tiempo hay silencio y luego, a veces, uno o más pares de Cooper se rompen, lo que conduce a una ráfaga de tunelización", dice Mannila. Así que un solo evento de ruptura puede romper más de un par de Cooper a la vez".
Los periodos de silencio eran varios órdenes de magnitud más largos que las explosiones. El superconductor estuvo totalmente libre de cuasipartículas durante varios segundos, mucho más tiempo del necesario para el funcionamiento de un qubit. Uno siempre quiere deshacerse de las cuasipartículas", dice Pekola. Nuestro estudio supone un paso importante hacia la construcción de dispositivos superconductores de funcionamiento ideal".
Huellas en el tiempo
¿Qué es lo que hace que los pares de Cooper se rompan? Esa es la pregunta clave", dice Pekola. La energía para romper un par de Cooper tiene que venir de alguna parte, y la dinámica observada por los investigadores proporciona una pista importante.
A lo largo de unos 100 días, los investigadores descubrieron que las explosiones de cuasipartículas eran menos frecuentes en su experimento. La ruptura de pares de Cooper en función del tiempo no se había observado antes, así que fue interesante y sorprendente", dice Mannila.
Un resultado aún más interesante apareció cuando reiniciaron el aparato y lo volvieron a intentar. Cuando el experimento se reinició, todo empezó de cero", dice Pekola. El ritmo de aparición de las cuasipartículas depende del tiempo transcurrido desde que enfriamos el sistema hasta su temperatura mínima".
Esta dinámica reduce el abanico de explicaciones de la ruptura del par de Cooper. Cualquier fuente externa, como los rayos cósmicos y otras fuentes de radiación, tendría que volverse menos común con el tiempo y restablecerse después de unos 100 días para coincidir con los cambios observados en el experimento.
Esto descarta muchas o la mayoría de las cosas que se han propuesto", dice Mannila. Hemos demostrado que hay algo que tiene estos largos retrasos, y eso no es algo que la gente suele buscar. Ahora que la idea está ahí, la gente puede buscar una explicación a estas escalas de tiempo en diferentes sistemas".
Para Pekola, el hecho de que la tasa de eventos de cuasipartículas disminuya con el tiempo pero no de forma exponencial es una pista importante sobre la fuente de energía para romper los pares de Cooper. 'La inquietud del principio podría provenir de las impurezas de los materiales. Estas impurezas se enfrían mucho más lentamente que el dispositivo", afirma. Estas pequeñas diferencias dentro del sistema podrían dar lugar a la liberación de energía suficiente para romper los pares de Cooper, aunque esto sigue siendo una especulación.
Pekola tiene previsto continuar con experimentos que utilicen dos o más detectores para precisar el origen de estas cuasipartículas. Buscando correlaciones entre los estallidos de cuasipartículas en varios dispositivos, espera obtener más pistas sobre el lugar exacto en el que se producen los procesos que impulsan la ruptura de los pares de Cooper.
La investigación se llevó a cabo utilizando OtaNano, una infraestructura nacional de investigación de acceso abierto. El grupo de investigación de Aalto también forma parte del InstituteQ, el instituto cuántico finlandés.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Más noticias del departamento ciencias
Reciba la química en su bandeja de entrada
No se pierda nada a partir de ahora: Nuestro boletín electrónico de química, análisis, laboratorio y tecnología de procesos le pone al día todos los martes y jueves. Las últimas noticias del sector, los productos más destacados y las innovaciones, de forma compacta y fácil de entender en su bandeja de entrada. Investigado por nosotros para que usted no tenga que hacerlo.
