Un simulador cuántico permite observar por primera vez al microscopio el emparejamiento de portadores de carga
Los resultados de la investigación podrían ser clave para comprender los superconductores de alta temperatura
Un equipo de investigadores del MPQ ha observado por primera vez en un experimento cómo los huecos (portadores de carga positiva) en un modelo de estado sólido se combinan para formar pares. Este proceso podría desempeñar un papel importante en la comprensión de la superconductividad a alta temperatura.
Representación artística de un par de agujeros provocados por el fondo magnético del sistema.
Christoph Hohmann, MPQ
Utilizando un simulador cuántico, investigadores del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica (MPQ) han observado pares de portadores de carga que podrían ser responsables del transporte sin resistencia de corriente eléctrica en superconductores de alta temperatura. Hasta ahora se desconocen en gran medida los mecanismos físicos exactos de estos complejos materiales. Las teorías suponen que la causa de la formación de pares y, por tanto, del fenómeno de la superconductividad reside en las fuerzas magnéticas. El equipo de Garching ha podido demostrar por primera vez que los pares se forman de esta manera. Su experimento se basó en una disposición reticular de átomos fríos, así como en una complicada supresión del movimiento de los portadores de carga libres. Los investigadores publican sus resultados en la revista "Nature".
Desde el descubrimiento de los superconductores de alta temperatura hace casi 40 años, los científicos han tratado de averiguar sus mecanismos físicos cuánticos fundamentales. Pero estos complejos materiales siguen planteando misterios. Los nuevos hallazgos de un equipo del Departamento de Sistemas Cuánticos de Muchos Cuerpos del MPQ en Garching aportan ahora una nueva visión microscópica de los procesos que pueden subyacer a los llamados superconductores no convencionales.
Para cualquier tipo de superconductividad es crucial la formación de pares de portadores de carga estrechamente ligados: electrones o huecos, como se denomina a las vacantes de electrones. "La razón está en la mecánica cuántica", explica Sarah Hirthe, física de MPQ: cada electrón o hueco tiene un espín semientero, una magnitud física cuántica que puede imaginarse como una medida de la rotación interna de una partícula. Los átomos también tienen espín. Sin embargo, por razones de estadística cuántica, sólo las partículas con un espín entero pueden desplazarse por una red cristalina sin resistencia en determinadas condiciones. "Por tanto, los electrones o los huecos tienen que emparejarse para hacerlo", explica Hirthe. En los superconductores convencionales, las vibraciones de la red, llamadas fonones, contribuyen al emparejamiento. En los superconductores no convencionales, en cambio, interviene un mecanismo distinto, pero hasta ahora no se había resuelto la cuestión. "En una teoría ampliamente aceptada, las fuerzas magnéticas indirectas desempeñan un papel crucial", informa Sarah Hirthe. "Pero esto no se ha podido confirmar en los experimentos hasta ahora".
Modelo de estado sólido lleno de agujeros
Para comprender mejor los procesos que tienen lugar en este tipo de materiales, los investigadores utilizaron un simulador cuántico: una especie de ordenador cuántico que recrea sistemas físicos. Para ello, dispusieron átomos ultrafríos en el vacío con luz láser de forma que simularan los electrones en un modelo simplificado de estado sólido. En el proceso, los espines de los átomos se dispusieron con direcciones alternas: se creó una estructura antiferromagnética, característica de muchos superconductores de alta temperatura, estabilizada por interacciones magnéticas. A continuación, el equipo "dopó" este modelo reduciendo el número de átomos del sistema. De este modo, aparecieron agujeros en la estructura reticular.
El equipo de MPQ pudo demostrar ahora que las fuerzas magnéticas conducen efectivamente a pares. Para ello, utilizaron un truco experimental. "En un material como los superconductores de alta temperatura, los portadores de carga en movimiento están sometidos a una competencia de fuerzas diferentes", explica Hirthe. Por un lado, tienen la necesidad de dispersarse, es decir, de estar en todas partes al mismo tiempo. Esto les da una ventaja energética. Por otro lado, las interacciones magnéticas garantizan una disposición regular de los estados de espín de los átomos, electrones y huecos, y presumiblemente también la formación de pares de portadores de carga. Sin embargo: "La competencia de fuerzas nos ha impedido hasta ahora observar microscópicamente tales pares", afirma Timon Hilker, jefe del grupo de investigación. "Por eso tuvimos la idea de impedir el movimiento disruptivo de los portadores de carga en una dirección espacial".
Una mirada de cerca a través del microscopio cuántico de gas
De este modo, las fuerzas magnéticas se mantuvieron, en gran medida, inalteradas. El resultado: los agujeros que se acercaban formaban los pares esperados. Para observar estos emparejamientos, el equipo utilizó un microscopio de gas cuántico, un dispositivo con el que se pueden seguir en detalle los procesos de la mecánica cuántica. No sólo se descubrieron los pares de agujeros, sino que también se observó la disposición relativa de los pares, lo que sugiere la existencia de fuerzas repulsivas entre ellos. El equipo informa de su trabajo en la revista científica "Nature". "Los resultados subrayan la idea de que la pérdida de resistencia eléctrica en los superconductores no convencionales está causada por fuerzas magnéticas", subraya el profesor Immanuel Bloch, Director en MPQ y Jefe de la División de Sistemas Cuánticos de Muchos Cuerpos. "Esto conduce a una mejor comprensión de estos extraordinarios materiales y muestra una nueva forma de cómo pueden formarse pares de agujeros estables incluso a temperaturas muy altas, aumentando potencialmente de forma significativa la temperatura crítica de los superconductores".
Los investigadores del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica planean ahora nuevos experimentos con modelos más complejos en los que se conecten grandes conjuntos bidimensionales de átomos. Se espera que estos sistemas más grandes creen más pares de agujeros y permitan observar su movimiento a través de la red: el transporte de corriente eléctrica sin resistencia debido a la superconductividad.
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