En lo profundo de los sólidos los electrones individuales se desplazan por una autopista a nanoescala pavimentada con átomos. En la mayor parte, estos electrones se evitan entre sí, mantenidos en carriles separados por su repulsión mutua. Pero las vibraciones en la carretera atómica pueden difuminar sus carriles y, a veces, permitir que las partículas diminutas se emparejen. El resultado es un viaje suave y sin pérdidas, y es una forma de crear superconductividad.

Pero hay otros formas menos comunes de lograr este efecto. Científicos de la Universidad de Maryland (UMD), la Universidad de California, Irvine (UCI) y la Universidad de Fudan ahora han demostrado que pequeños temblores magnéticos conducen a la superconductividad en un material hecho de nanocapas metálicas. Y, Más allá de eso, los pares de electrones resultantes rompen una simetría fundamental entre el pasado y el futuro. Aunque el material es un superconductor conocido, estos investigadores proporcionan un modelo teórico y una medición, cuales, por primera vez, revela sin ambigüedades la naturaleza exótica del material.

En materiales cuánticos, romper la simetría entre el pasado y el futuro a menudo significa fases no convencionales de la materia. La muestra de níquel-bismuto (Ni-Bi) estudiada aquí es el primer ejemplo de un material 2-D donde este tipo de superconductividad es intrínseco, lo que significa que ocurre sin la ayuda de agentes externos, como un superconductor cercano. Estos hallazgos, publicado recientemente en Avances de la ciencia , hacen de Ni-Bi una opción atractiva para su uso en futuras computadoras cuánticas. Esta investigación también puede ayudar a los científicos en su búsqueda de otros superconductores igualmente extraños.

Mehdi Kargarian, investigador postdoctoral en la UMD y coautor del artículo, explica que incluso después de un siglo de estudio, La superconductividad sigue siendo un área de investigación vibrante. "Es un problema bastante antiguo, por lo que es sorprendente que la gente todavía esté descubriendo tipos de superconductividad en el laboratorio que no tienen precedentes, "Kargarian dice, agregando que normalmente hay dos preguntas que los científicos hacen sobre un nuevo superconductor. "Primero, queremos comprender el apareamiento de electrones subyacente:qué está causando la superconductividad, ", dice." La segunda cosa, relacionados con aplicaciones, es ver si la superconductividad es posible a temperaturas más altas ".

Superconductores, particularmente los tipos exóticos, permanecen en gran parte encadenados a equipos criogénicos difíciles de manejar. Los científicos están buscando formas de aumentar las temperaturas superconductoras, De esta manera, estos materiales son más fáciles de usar para cosas como una mejor distribución de la electricidad y la construcción de dispositivos cuánticos. En esta nueva investigación, el equipo aborda la primera pregunta de Kargarian y el material apunta a una perspectiva positiva para la segunda pregunta. Su exótica superconductividad, aunque sigue siendo criogénico, ocurre a una temperatura más alta en comparación con otros sistemas similares.

La superconductividad Ni-Bi se observó por primera vez a principios de la década de 1990. Pero despues, cuando los científicos de la Universidad de Fudan publicaron estudios de un ultrapuro, muestra ultrafina, notaron que sucedía algo inusual.

La extrañeza comienza con la propia superconductividad. El bismuto por sí solo no es un superconductor, excepto bajo temperaturas extraordinariamente bajas y alta presión, condiciones que no son fáciles de lograr. El níquel es magnético y no un superconductor. De hecho, Se sabe que los imanes fuertes suprimen el efecto. Esto significa que demasiado níquel destruye la superconductividad, pero una pequeña cantidad lo induce.

Los teóricos de la UMD propusieron que las fluctuaciones en el magnetismo del níquel están en el corazón de este efecto peculiar. Estos diminutos temblores magnéticos ayudan a los electrones a formar pares, haciendo así el trabajo realizado por vibraciones en superconductores convencionales. Si hay demasiado níquel, el magnetismo domina y el efecto de las fluctuaciones disminuye. Si hay demasiado bismuto, luego la superficie superior, donde tiene lugar la superconductividad, está demasiado lejos de la fuente de fluctuaciones magnéticas.

La zona de ricitos de oro se produce cuando se hace crecer una capa de bismuto de veinte nanómetros de espesor sobre dos nanómetros de níquel. Para esta combinación de capas, la superconductividad ocurre alrededor de 4 grados por encima del cero absoluto. Si bien esto es tan frío como el espacio profundo, en realidad, es bastante compatible con el laboratorio y se puede acceder a él utilizando equipos criogénicos estándar.

La idea de que las fluctuaciones magnéticas pueden promover la superconductividad no es nueva y se remonta a finales del siglo XX. Sin embargo, La mayoría de los ejemplos anteriores de tal comportamiento requieren condiciones de funcionamiento estrictas, como alta presión. Los investigadores explican que Ni-Bi es diferente porque un enfriamiento sencillo es suficiente para lograr este tipo de superconductividad exótica. que rompe la simetría del tiempo.

Los investigadores emplearon un aparato altamente personalizado para buscar signos de simetría rota. La luz debe girar cuando se refleja en muestras que tienen esta propiedad. Para Ni-Bi, la cantidad esperada de rotación de luz es de decenas de nanorradianes, que es aproximadamente 100 mil millonésimas de garrapata en la esfera de un reloj. Jing Xia, coautor del artículo y profesor de la UCI, tiene uno de los únicos dispositivos en el mundo capaz de medir una rotación de luz tan imperceptible.

Para medir esta rotación para Ni-Bi, Las ondas de luz se inyectan primero en un extremo de una única fibra óptica de uso especial. Las dos ondas viajan a través de la fibra, como en caminos independientes. Golpean la muestra y luego vuelven sobre sus caminos. A su regreso, las ondas se combinan y forman un patrón. Rotaciones de las ondas de luz:desde, decir, ruptura de simetría:aparecerá en el patrón analizado como pequeñas traslaciones. Xia y sus colegas de la UCI midieron alrededor de 100 nanorradianes de rotación, confirmando la simetría rota. En tono rimbombante, el efecto apareció justo cuando la muestra de Ni-Bi se convirtió en un superconductor, lo que sugiere que la simetría temporal rota y la aparición de superconductividad están fuertemente vinculadas.

Esta forma de superconductividad es rara y los investigadores dicen que todavía no existe una receta para hacerlo realidad. Pero, como señala Xia, hay una guía matemática detrás del comportamiento de los electrones. "Sabemos matemáticamente cómo hacer que los pares de electrones rompan la simetría de inversión del tiempo, "Xia dice. Prácticamente, ¿Cómo logras esto de manera formulada? Esa es la pregunta del millón. Pero mi instinto es que cuando obtienes superconductividad mediada por fluctuaciones magnéticas, como en este material, entonces es muy probable que consigas romper esa simetría ".