Por primera vez, Los científicos de Argonne y otros colaboradores observaron la física similar a un espejo de la transición superconductor-aislante. Ahora ven que funciona exactamente como se esperaba. Crédito:Shutterstock / ktsdesign
El mundo al otro lado del espejo de Alicia en el país de las maravillas no es lo que parece, pero la física similar a un espejo de la transición superconductor-aislante funciona exactamente como se esperaba.
Los científicos saben que esto es cierto después de la observación de un fenómeno notable, cuya existencia se predijo hace tres décadas pero que había eludido la detección experimental hasta ahora. La observación confirma que los estados cuánticos fundamentales, superconductividad y superaislamiento, ambos surgen en imágenes especulares el uno del otro, lo que podría conducir al desarrollo de sensores supersensibles y energéticamente eficientes, detectores e interruptores lógicos para ciencia y comunicación, almacenamiento de memoria y otras tecnologías emergentes.
"El comportamiento que hemos demostrado es exactamente el comportamiento que se predijo y se esperaba, "dijo Valerii Vinokur, Argonne Distinguished Fellow en la división de Ciencia de Materiales del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE).
Vinokur y sus colegas observaron el fenómeno, llamado transición Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT), en una película microscópicamente delgada de nitrito de titanio niobio superconductor. La transición de carga BKT es la contraparte similar a un espejo de la transición de vórtice BKT que los científicos han observado muchas veces en materiales superconductores. Vinokur y sus colaboradores en el Instituto de Tecnología de California y la Universidad de Novosibirsk en Rusia publicaron sus hallazgos en línea el 6 de marzo. 2018, en Informes científicos .
"Los experimentos llevados a cabo por nuestro equipo establecen de manera concluyente la existencia del estado superaislante y la validez de sus conceptos fundacionales, incluyendo el concepto fundamental de dualidad carga-vórtice, "dijo Vinokur, quien también es Senior Fellow en el Instituto de Computación de la Universidad de Chicago. "Los conceptos básicos detrás de nuestro conocimiento sobre el universo en su nivel más profundo se basan en el concepto de dualidad".
El concepto de dualidad en física sostiene que los conjuntos fundamentales de fenómenos aparentemente se excluyen entre sí, pero representan las dos caras de una moneda. El ejemplo más conocido de dualidad es la dualidad onda-partícula de la luz que aparece en el reino cuántico. Materiales superaislantes y superconductores, que son exactamente opuestos, darse cuenta de la dualidad entre los efectos eléctricos y magnéticos. En lugar de transmitir corriente eléctrica sin pérdida de potencia, como hacen los superconductores, los superinsuladores cortan completamente el flujo de cargas bajo un voltaje aplicado. Esto significa que los superconductores reflectantes tienen conductancia infinita, mientras que los superinsuladores tienen una resistencia infinita.
El último hallazgo se basa en el trabajo publicado en 2008 por Vinokur y sus asociados que estableció experimentalmente la existencia del estado superaislante. al mismo tiempo que propone que "refleja" el comportamiento que ocurre en el estado superconductor, derivándolo del concepto cuántico más fundamental, el principio de incertidumbre. Físicos teóricos del CERN (el laboratorio europeo de física de partículas), la Universidad de Ginebra y la Universidad de Perugia — Cristina Diamantini, Carlo Trugenberger y Pascuale Sodano — habían predicho la existencia de este estado superaislante, dual a superconductividad, en 1996. Pero el descubrimiento del estado superaislante fue tan inesperado que el equipo de Vinokur inicialmente no se dio cuenta de la predicción.
La transición BKT que se encuentra en la base de la dualidad superconductor-aislante lleva el nombre del difunto Vadim Berezinskii, Michael Kosterlitz y David Thouless. Kosterlitz y Thouless colaboraron a principios de la década de 1970 para desarrollar su teoría de las transiciones de fase topológica, que son bastante diferentes a las transiciones de fase que se conocían comúnmente en la práctica diaria de la física en ese momento.
Estas transiciones de fase habituales se manifiestan como un cambio abrupto en el estado de la materia, como el hielo que se derrite en agua, o agua hirviendo hasta vapor, a alguna temperatura crítica. Las transiciones de fase topológica son como desatar los nudos de una corbata, sin embargo. "Tiene un cambio claro en las propiedades del sistema sin hacer ningún cambio material visible en las propiedades de la corbata, "Dijo Vinokur.
Berezinskii había desarrollado de forma independiente ideas similares, eventualmente conduciendo a numerosas observaciones de transiciones de vórtice BKT en miles de experimentos de superconductividad a lo largo de las décadas. Sin embargo, hasta ahora, los científicos nunca habían observado de manera concluyente el reflejo en forma de espejo de la transición del vórtice BKT, la transición de carga BKT, en el lado superaislante de la transición superconductor-aislante.
Kosterlitz, Thouless y Duncan Haldane compartieron el Premio Nobel de Física 2016 por "descubrimientos teóricos de las transiciones de fase topológica y las fases topológicas de la materia, "habiendo desarrollado los métodos matemáticos avanzados necesarios para explicar las transiciones de fase que ocurren en estados inusuales de la materia, incluyendo materiales superconductores y películas magnéticas delgadas.
Una vía de investigación futura para Vinokur y sus colegas será elevar la temperatura a la que su compuesto de nitrito de niobio y titanio pasa al estado superaislante. La temperatura de transición ahora está entre 100 y 200 milikelvin, que es solo una fracción de grado por encima del cero absoluto (menos 459,6 grados Fahrenheit). Pero elevar la temperatura de transición a 4 kelvin (menos 452,4 grados Fahrenheit) constituiría un avance tecnológico.
"Esto significa que podríamos usar estos materiales en el espacio, porque 4 kelvin es la temperatura del espacio, Vinokur dijo. Las posibles aplicaciones espaciales para tales materiales superaisladores incluyen detectores supersensibles para medir la radiación electromagnética y otros fenómenos, e interruptores para dispositivos electrónicos, como diodos de ahorro de energía.