Cuando conecta un electrodoméstico o enciende un interruptor de luz, la electricidad parece fluir instantáneamente a través de los cables de la pared. Pero, de hecho, la electricidad es transportada por partículas diminutas llamadas electrones que se desplazan lentamente a través de los cables. En su viaje los electrones ocasionalmente chocan con los átomos del material, renunciando a algo de energía con cada colisión.

El grado en que los electrones viajan sin obstáculos determina qué tan bien un material puede conducir la electricidad. Los cambios ambientales pueden mejorar la conductividad, en algunos casos drásticamente. Por ejemplo, cuando ciertos materiales se enfrían a temperaturas frías, los electrones se unen para que puedan fluir sin inhibiciones, sin perder energía en absoluto, un fenómeno llamado superconductividad.

Ahora, un equipo de investigadores del Departamento de Física de la Universidad de Maryland (UMD) junto con colaboradores ha visto una superconductividad exótica que se basa en interacciones de electrones muy inusuales. Aunque se predice que ocurrirá en otros sistemas no materiales, este tipo de comportamiento ha permanecido esquivo. La investigación del equipo, publicado en la edición del 6 de abril de Avances de la ciencia , revela efectos que son profundamente diferentes de cualquier cosa que se haya visto antes con la superconductividad.

Las interacciones de los electrones en los superconductores están dictadas por una propiedad cuántica llamada espín. En un superconductor ordinario, electrones, que tienen un giro de ½, emparejarse y fluir sin inhibiciones con la ayuda de vibraciones en la estructura atómica. Esta teoría está bien probada y puede describir el comportamiento de la mayoría de los superconductores. En esta nueva investigación, el equipo descubre evidencia de un nuevo tipo de superconductividad en el material YPtBi, uno que parece surgir de partículas spin-3/2.

"Nadie había pensado realmente que esto fuera posible en materiales sólidos, "explica Johnpierre Paglione, profesor de física de la UMD y autor principal del estudio. "Los estados de alto espín en átomos individuales son posibles, pero una vez que se juntan los átomos en un sólido, estos estados generalmente se rompen y terminas con un giro a la mitad. "

Descubrir que YPtBi era un superconductor sorprendió a los investigadores en primer lugar. La mayoría de los superconductores comienzan como conductores razonablemente buenos, con muchos electrones móviles, un ingrediente del que carece YPtBi. Según la teoría convencional, YPtBi necesitaría unas mil veces más electrones móviles para convertirse en superconductor a temperaturas por debajo de 0,8 Kelvin. Y todavía, al enfriar el material a esta temperatura, el equipo vio que la superconductividad sucedía de todos modos. Esta fue una primera señal de que algo exótico estaba sucediendo dentro de este material.

Después de descubrir la transición superconductora anómala, los investigadores realizaron mediciones que les dieron una idea del emparejamiento de electrones subyacente. Estudiaron una característica reveladora de los superconductores:su interacción con los campos magnéticos. A medida que el material experimenta la transición a un superconductor, intentará expulsar cualquier campo magnético añadido de su interior. Pero la expulsión no es del todo perfecta. Cerca de la superficie, el campo magnético todavía puede entrar en el material pero luego se desintegra rápidamente. Hasta dónde llega depende de la naturaleza del emparejamiento de electrones, y cambia a medida que el material se enfría más y más.

Para probar este efecto, los investigadores variaron la temperatura en una pequeña muestra del material mientras lo exponían a un campo magnético diez veces más débil que el de la Tierra. Una bobina de cobre que rodeaba la muestra detectó cambios en las propiedades magnéticas del superconductor y permitió al equipo medir con sensibilidad pequeñas variaciones en la profundidad con la que llegaba el campo magnético dentro del superconductor.

La medición reveló una intrusión magnética inusual. A medida que el material se calentó desde el cero absoluto, la profundidad de penetración del campo para YPtBi aumentó linealmente en lugar de exponencialmente como lo haría para un superconductor convencional. Este efecto, combinado con otras mediciones y cálculos teóricos, restringió las posibles formas en que los electrones podrían emparejarse. Los investigadores concluyeron que la mejor explicación para la superconductividad eran los electrones disfrazados de partículas con un espín más alto, una posibilidad que ni siquiera se había considerado antes en el marco de la superconductividad convencional.

El descubrimiento de este superconductor de alto espín ha dado una nueva dirección a este campo de investigación. "Solíamos limitarnos a emparejar con partículas de media vuelta, "dice Hyunsoo Kim, autor principal y científico investigador asistente de la UMD. "Pero si empezamos a considerar un mayor efecto, entonces, el panorama de esta investigación superconductora se expande y se vuelve más interesante ".

Por ahora, quedan muchas preguntas abiertas, incluyendo cómo podría ocurrir dicho emparejamiento en primer lugar. "Cuando tienes este emparejamiento de alto giro, ¿Cuál es el pegamento que mantiene unidos a estos pares? ", dice Paglione." Hay algunas ideas de lo que podría estar sucediendo, pero quedan preguntas fundamentales, lo que lo hace aún más fascinante ".