El desorden superconductor a la luz
La importancia del desorden en física sólo es igualada por la dificultad para estudiarlo. Por ejemplo, las extraordinarias propiedades de los superconductores de alta temperatura se ven muy afectadas por las variaciones en la composición química del sólido. Las técnicas que permiten medir ese desorden y su impacto en las propiedades electrónicas, como la microscopía de efecto túnel de barrido, sólo funcionan a temperaturas muy bajas, y son ciegas a esta física cerca de la temperatura de transición. Ahora, un equipo de investigadores del Instituto Max Planck para la Estructura y Dinámica de la Materia (MPSD), en Alemania, y del Laboratorio Nacional de Brookhaven, en Estados Unidos, ha demostrado una nueva forma de estudiar el desorden en los superconductores utilizando pulsos de luz de terahercios. Adaptando métodos utilizados en resonancia magnética nuclear a la espectroscopia de terahercios, el equipo pudo seguir por primera vez la evolución del desorden en las propiedades de transporte hasta la temperatura de transición superconductora. El trabajo del grupo de Cavalleri se ha publicado en Nature Physics.
La superconductividad, un fenómeno cuántico que permite que la corriente eléctrica fluya sin resistencia, es uno de los fenómenos más importantes de la física de la materia condensada por su impacto tecnológico transformador. Muchos materiales que se vuelven superconductores a las llamadas "altas temperaturas" (en torno a -170 °C), como los conocidos superconductores cupríferos, obtienen sus notables propiedades del dopaje químico, que introduce desorden. Sin embargo, el impacto exacto de esta variación química en sus propiedades superconductoras sigue sin estar claro.
En los superconductores, y en los sistemas de materia condensada en general, el desorden se estudia normalmente con experimentos que presentan una resolución espacial precisa, como el uso de puntas metálicas extremadamente afiladas. Sin embargo, la sensibilidad de estos experimentos restringe su aplicación a temperaturas de helio líquido, muy por debajo de la transición superconductora, lo que impide estudiar muchas cuestiones fundamentales relacionadas con la propia transición.
Inspirándose en las técnicas de "espectroscopia multidimensional" desarrolladas inicialmente para la resonancia magnética nuclear y adaptadas posteriormente a las frecuencias ópticas visibles y ultravioletas por los químicos que estudian los sistemas moleculares y biológicos, los investigadores del MPSD ampliaron esta clase de técnicas a la gama de frecuencias de terahercios, donde resuenan los modos colectivos de los sólidos. Esta técnica consiste en excitar secuencialmente un material de interés con múltiples pulsos intensos de terahercios, normalmente en una geometría colineal en la que los pulsos viajan en la misma dirección. Para investigar el superconductor cuprífero La1,83Sr0,17CuO4-un material opaco que transmite un mínimo de luz-, el equipo amplió el esquema convencional aplicando por primera vez la espectroscopia de terahercios bidimensional (2DTS) en una geometría no colineal, lo que permitió a los investigadores aislar no linealidades de terahercios específicas por su dirección de emisión.
Con esta técnica 2DTS de ángulo resuelto, los investigadores observaron que el transporte superconductor en el cuprato se reactivaba tras la excitación por los pulsos de terahercios, un fenómeno que denominaron "ecos de Josephson". Sorprendentemente, estos ecos de Josephson revelaron que el desorden en el transporte superconductor era significativamente menor que el desorden correspondiente observado en la brecha superconductora medida mediante técnicas espacialmente resueltas, como los experimentos de microscopía de barrido. Además, la versatilidad de la técnica 2DTS de ángulo resuelto permitió al equipo medir por primera vez el desorden cerca de la temperatura de transición superconductora, descubriendo que permanecía estable hasta un 70% relativamente cálido de la temperatura de transición.
Además de profundizar en el conocimiento de las enigmáticas propiedades de los superconductores cupríferos, los investigadores subrayan que estos primeros experimentos abren la puerta a muchas direcciones interesantes en el futuro. Además de aplicar el 2DTS de ángulo resuelto a otros superconductores y materiales cuánticos en general, la naturaleza ultrarrápida del 2DTS lo hace aplicable a estados transitorios de la materia demasiado efímeros para las sondas convencionales del desorden.
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