Un descubrimiento que los físicos eludieron durante mucho tiempo se ha detectado en un laboratorio de Princeton. Un equipo de físicos detectó corrientes superconductoras (el flujo de electrones sin desperdiciar energía) a lo largo del borde exterior de un material superconductor. El hallazgo fue publicado en la edición del 1 de mayo de la revista. Ciencias .

El superconductor que estudiaron los investigadores también es un semimetal topológico, un material que viene con sus propias propiedades electrónicas inusuales. El hallazgo sugiere formas de desbloquear una nueva era de "superconductividad topológica" que podría tener valor para la computación cuántica.

"Hasta donde sabemos, esta es la primera observación de una supercorriente de borde en cualquier superconductor, "dijo Nai Phuan Ong, Profesor de Física Eugene Higgins de Princeton y autor principal del estudio.

"Nuestra pregunta motivadora fue:¿Qué sucede cuando el interior del material no es un aislante sino un superconductor? ", Dijo Ong." ¿Qué características novedosas surgen cuando se produce superconductividad en un material topológico? "

Aunque los superconductores convencionales ya disfrutan de un uso generalizado en imágenes por resonancia magnética (MRI) y líneas de transmisión de larga distancia, nuevos tipos de superconductividad podrían dar rienda suelta a la capacidad de ir más allá de las limitaciones de nuestras tecnologías conocidas.

Investigadores de Princeton y otros lugares han estado explorando las conexiones entre la superconductividad y los aislantes topológicos, materiales cuyos comportamientos electrónicos no conformistas fueron objeto del Premio Nobel de Física 2016 para F. Duncan Haldane. Profesor de Física de la Universidad Sherman Fairchild de Princeton.

Los aislantes topológicos son cristales que tienen un interior aislante y una superficie conductora, como un brownie envuelto en papel de aluminio. En materiales conductores, los electrones pueden saltar de un átomo a otro, permitiendo que fluya la corriente eléctrica. Los aislantes son materiales en los que los electrones están atrapados y no pueden moverse. Sin embargo, curiosamente los aislantes topológicos permiten el movimiento de electrones en su superficie pero no en su interior.

Para explorar la superconductividad en materiales topológicos, los investigadores recurrieron a un material cristalino llamado ditelurida de molibdeno, que tiene propiedades topológicas y también es un superconductor una vez que la temperatura desciende por debajo de los frígidos 100 miliKelvin, que es -459 grados Fahrenheit.

"La mayoría de los experimentos realizados hasta ahora han implicado intentar 'inyectar' superconductividad en materiales topológicos colocando un material muy cerca del otro, "dijo Stephan Kim, un estudiante de posgrado en ingeniería eléctrica, quien llevó a cabo muchos de los experimentos. "Lo que es diferente acerca de nuestra medición es que no inyectamos superconductividad y, sin embargo, pudimos mostrar las firmas de los estados de borde".

El equipo primero cultivó cristales en el laboratorio y luego los enfrió a una temperatura en la que ocurre la superconductividad. Luego aplicaron un campo magnético débil mientras medían el flujo de corriente a través del cristal. Observaron que una cantidad llamada corriente crítica muestra oscilaciones, que aparecen como un patrón de dientes de sierra, a medida que aumenta el campo magnético.

Tanto la altura de las oscilaciones como la frecuencia de las oscilaciones encajan con las predicciones de cómo estas fluctuaciones surgen del comportamiento cuántico de los electrones confinados a los bordes de los materiales.

Los investigadores saben desde hace mucho tiempo que la superconductividad surge cuando los electrones, que normalmente se mueven al azar, unirse en dos para formar pares de Cooper, que en cierto sentido bailan al mismo ritmo. "Una analogía aproximada es mil millones de parejas ejecutando la misma coreografía de baile con un guión estricto, "Dijo Ong.

El guión que siguen los electrones se llama función de onda del superconductor, que puede considerarse aproximadamente como una cinta estirada a lo largo del cable superconductor, Dijo Ong. Un ligero giro de la función de onda obliga a todos los pares de Cooper en un cable largo a moverse con la misma velocidad que un "superfluido" —en otras palabras, actuando como una colección única en lugar de como partículas individuales— que fluye sin producir calor.

Si no hay torceduras a lo largo de la cinta, Ong dijo:todos los pares de Cooper están estacionarios y no fluye corriente. Si los investigadores exponen el superconductor a un campo magnético débil, esto agrega una contribución adicional a la torsión que los investigadores llaman flujo magnético, cuales, para partículas muy pequeñas como electrones, sigue las reglas de la mecánica cuántica.

Los investigadores anticiparon que estos dos contribuyentes al número de giros, la velocidad superfluida y el flujo magnético, trabajar juntos para mantener el número de giros como un entero exacto, un número entero como 2, 3 o 4 en lugar de 3.2 o 3.7. Ellos predijeron que a medida que el flujo magnético aumenta suavemente, la velocidad del superfluido aumentaría en un patrón de dientes de sierra a medida que la velocidad del superfluido se ajusta para cancelar el 0,2 adicional o añadir 0,3 para obtener un número exacto de giros.

El equipo midió la corriente superfluida a medida que variaban el flujo magnético y descubrió que, de hecho, el patrón de dientes de sierra era visible.

En ditelurida de molibdeno y otros llamados semimetales de Weyl, este emparejamiento de Cooper de electrones en la masa parece inducir un emparejamiento similar en los bordes.

Los investigadores notaron que actualmente no se comprende bien la razón por la que la supercorriente de borde sigue siendo independiente de la supercorriente en masa. Ong comparó los electrones que se mueven colectivamente, también llamados condensados, a charcos de líquido.

"De las expectativas clásicas, uno esperaría que dos charcos de fluido que están en contacto directo se fusionen en uno, "Sin embargo, el experimento muestra que los condensados ​​de los bordes siguen siendo distintos de los que se encuentran en la mayor parte del cristal", dijo Ong.

El equipo de investigación especula que el mecanismo que evita que los dos condensados ​​se mezclen es la protección topológica heredada de los estados del borde protegido en la ditelurida de molibdeno. El grupo espera aplicar la misma técnica experimental para buscar supercorrientes de borde en otros superconductores no convencionales.

"Probablemente hay decenas de ellos por ahí, "Dijo Ong.

El estudio, "Evidencia de una supercorriente de borde en el superconductor MoTe2 de Weyl, "por Wudi Wang, Stephan Kim, Minhao Liu, F. A. Cevallos, Robert. J. Cava y Nai Phuan Ong, fue publicado en la revista Ciencias el 1 de mayo 2020.