Los científicos del Instituto de Tecnología de Tokio (Tokyo Tech) abordan el misterio de hace dos décadas de por qué aparece un estado metálico anómalo en la transición superconductor-aislante en superconductores 2-D. Mediante mediciones experimentales de un efecto termoeléctrico, encontraron que el estado líquido cuántico de los vórtices cuánticos causa el estado metálico anómalo. Los resultados aclaran la naturaleza de la transición y podrían ayudar en el diseño de dispositivos superconductores para computadoras cuánticas.

El estado superconductor, en el que la corriente fluye con cero resistencia eléctrica, ha fascinado a los físicos desde su descubrimiento en 1911. Se ha estudiado extensamente no solo por sus posibles aplicaciones, sino también para comprender mejor los fenómenos cuánticos. Aunque los científicos saben mucho más sobre este estado peculiar ahora que en el siglo XX, Parece que los misterios que encierran los superconductores no tienen fin.

Un famoso, Un ejemplo tecnológicamente relevante es la transición superconductor-aislante (SIT) en materiales bidimensionales (2-D). Si uno enfría películas delgadas de ciertos materiales a una temperatura cercana al cero absoluto y aplica un campo magnético externo, los efectos de las fluctuaciones térmicas se suprimen lo suficiente como para que los fenómenos puramente cuánticos (como la superconductividad) dominen macroscópicamente. Aunque la mecánica cuántica predice que la SIT es una transición directa de un estado a otro, múltiples experimentos han demostrado la existencia de un estado metálico anómalo que interviene entre ambas fases.

Hasta aquí, el origen de este misterioso estado intermedio ha eludido a los científicos durante más de dos décadas. Es por eso que un equipo de científicos del Departamento de Física de Tokyo Tech, Japón, recientemente se propuso encontrar una respuesta a la pregunta en un estudio publicado en Cartas de revisión física . Profesor asistente Koichiro Ienaga, quien dirigió el estudio, explica su motivación, "Hay teorías que intentan explicar el origen de la resistencia disipativa a temperatura cero en superconductores 2-D, pero no se han realizado demostraciones experimentales definitivas que utilicen mediciones de resistencia para aclarar sin ambigüedades por qué la SIT difiere de los modelos de transición de fase cuántica esperados ".

Los científicos emplearon una fina película amorfa de molibdeno-germanio (MoGe) enfriada a una temperatura extremadamente baja de 0,1 K y aplicaron un campo magnético externo. Midieron un efecto termoeléctrico transversal a través de la película llamado "efecto Nernst, "que puede sondear de manera sensible y selectiva las fluctuaciones superconductoras causadas por el flujo magnético móvil. Los resultados revelaron algo importante sobre la naturaleza del estado metálico anómalo:el" estado líquido cuántico "de los vórtices cuánticos causa el estado metálico anómalo. El estado líquido cuántico es el estado peculiar en el que las partículas no se congelan incluso a temperatura cero debido a las fluctuaciones cuánticas.

Más importante, los experimentos revelaron que el estado metálico anómalo surge de la criticidad cuántica; la peculiar región crítica cuántica ampliada a temperatura cero corresponde al estado metálico anómalo. Esto contrasta fuertemente con el "punto" crítico cuántico a temperatura cero en la SIT ordinaria. Las transiciones de fase mediadas por fluctuaciones puramente cuánticas (puntos críticos cuánticos) han sido enigmas de larga data en física, y este estudio nos acerca un paso más a la comprensión de la SIT para superconductores 2-D. Emocionado por los resultados generales, Ienaga comenta, "Detectando fluctuaciones superconductoras con precisión en un régimen puramente cuántico, como hemos hecho en este estudio, abre una nueva vía a los dispositivos superconductores de próxima generación, incluyendo q-bits para computadoras cuánticas ".

Ahora que este estudio ha arrojado luz sobre el misterio de la SIT de hace dos décadas, Se necesitarán más investigaciones para obtener una comprensión más precisa de las contribuciones de los vórtices cuánticos en el estado metálico anómalo. ¡Esperemos que el inmenso poder de la superconductividad esté pronto a mano!