Los científicos en busca de un tipo de superconductor poco convencional han producido la evidencia más convincente hasta la fecha de que han encontrado uno. En un par de papeles investigadores del Centro de Materiales Cuánticos (QMC) de la Universidad de Maryland (UMD) y sus colegas han demostrado que la ditelurida de uranio (o UTe ₂ para abreviar) muestra muchas de las características de un superconductor topológico, un material que puede abrir nuevas formas de construir computadoras cuánticas y otros dispositivos futuristas.

"La naturaleza puede ser perversa, "dice Johnpierre Paglione, profesor de física en la UMD, el director de QMC y autor principal de uno de los artículos. "Podría haber otras razones por las que estamos viendo todas estas cosas extravagantes, pero honestamente, en mi carrera Nunca había visto nada igual ".

Todos los superconductores transportan corrientes eléctricas sin ninguna resistencia. Es algo de lo suyo. El cableado detrás de tus paredes no puede rivalizar con esta hazaña lo cual es una de las muchas razones por las que durante décadas se han utilizado bobinas grandes de cables superconductores y no cables de cobre normales en máquinas de resonancia magnética y otros equipos científicos.

Pero los superconductores logran su superconductancia de diferentes maneras. Desde principios de la década de 2000, Los científicos han estado buscando un tipo especial de superconductor, uno que se basa en una intrincada coreografía de las partículas subatómicas que realmente llevan su corriente.

Esta coreografía tiene un director sorprendente:una rama de las matemáticas llamada topología. La topología es una forma de agrupar formas que se pueden transformar suavemente unas en otras empujando y tirando. Por ejemplo, una bola de masa se puede moldear en una barra de pan o una tarta de pizza, pero no puedes convertirlo en una dona sin hacerle un agujero. El resultado es que topológicamente hablando, un pan y un pastel son idénticos, mientras que una dona es diferente. En un superconductor topológico, los electrones bailan entre sí mientras rodean algo parecido al agujero en el centro de una rosquilla.

Desafortunadamente, no hay una buena manera de cortar un superconductor y hacer zoom en estos movimientos de baile electrónicos. En este momento, La mejor manera de saber si los electrones bailan o no en una rosquilla abstracta es observar cómo se comporta un material en los experimentos. Hasta ahora, ningún superconductor ha demostrado de manera concluyente que sea topológico, pero los nuevos papeles muestran que UTe ₂ aspecto, nada y grazna como el tipo correcto de pato topológico.

Un estudio, por el equipo de Paglione en colaboración con el grupo de Aharon Kapitulnik en la Universidad de Stanford, revela que no existen uno, sino dos tipos de superconductividad simultáneamente en UTe ₂ . Usando este resultado, así como la forma en que se altera la luz cuando rebota en el material (además de la evidencia experimental publicada anteriormente), pudieron reducir los tipos de superconductividad que están presentes en dos opciones, ambos de los cuales los teóricos creen que son topológicos. Publicaron sus hallazgos el 15 de julio, 2021, en el diario Ciencias .

En otro estudio, un equipo dirigido por Steven Anlage, profesor de física en la UMD y miembro de QMC, reveló un comportamiento inusual en la superficie del mismo material. Sus hallazgos son consistentes con el fenómeno largamente buscado de los modos de Majorana protegidos topológicamente. Modos Majorana, partículas exóticas que se comportan un poco como la mitad de un electrón, se predice que surgen en la superficie de superconductores topológicos. Estas partículas entusiasman particularmente a los científicos porque podrían ser la base de computadoras cuánticas robustas. Anlage y su equipo informaron sus resultados en un artículo publicado el 21 de mayo, 2021 en la revista Comunicaciones de la naturaleza .

Los superconductores solo revelan sus características especiales por debajo de una determinada temperatura, al igual que el agua solo se congela por debajo de cero grados Celsius. En superconductores normales, los electrones se emparejan en una línea de conga de dos personas, siguiendo unos a otros a través del metal. Pero en algunos casos raros, las parejas de electrones realizan una danza circular alrededor del otro, más parecido a un vals. El caso topológico es aún más especial:la danza circular de los electrones contiene un vórtice, como el ojo en medio de los vientos arremolinados de un huracán. Una vez que los electrones se emparejan de esta manera, el vórtice es difícil de eliminar, que es lo que distingue a un superconductor topológico de uno con un simple, baile de electrones de buen tiempo.

En 2018, El equipo de Paglione, en colaboración con el equipo de Nicholas Butch, profesor asociado adjunto de física en la UMD y físico en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), descubrió inesperadamente que UTe ₂ era un superconductor. Inmediatamente, estaba claro que no era un superconductor promedio. Más destacado, parecía desfasado por grandes campos magnéticos, que normalmente destruyen la superconductividad al dividir las parejas de danza de electrones. Esta fue la primera pista de que los pares de electrones en UTe ₂ abrazarse el uno al otro con más fuerza de lo habitual, probablemente porque su baile en pareja es circular. Esto generó mucho interés y más investigación de otros en el campo.

"Es como un superconductor de tormenta perfecto, "dice Anlage." Es combinar muchas cosas diferentes que nadie ha visto antes combinadas ".

En el nuevo Ciencias papel, Paglione y sus colaboradores informaron dos nuevas mediciones que revelan la estructura interna de UTe ₂ . El equipo de UMD midió el calor específico del material, que caracteriza la cantidad de energía que se necesita para calentarla en un grado. Midieron el calor específico a diferentes temperaturas iniciales y observaron cómo cambiaba a medida que la muestra se volvía superconductora.

"Normalmente hay un gran salto en el calor específico en la transición superconductora, "dice Paglione." Pero vemos que en realidad hay dos saltos. Eso es evidencia de dos transiciones superconductoras, no sólo uno. Y eso es muy inusual ".

Los dos saltos sugirieron que los electrones en UTe ₂ puede emparejarse para realizar cualquiera de dos patrones de baile distintos.

En una segunda medida, el equipo de Stanford apuntó con luz láser a un trozo de UTe ₂ y noté que la luz reflejada hacia atrás estaba un poco torcida. Si envían una luz que se balancea hacia arriba y hacia abajo, la luz reflejada oscilaba principalmente hacia arriba y hacia abajo, pero también un poco hacia la izquierda y hacia la derecha. Esto significaba que algo dentro del superconductor giraba la luz y no la desenroscaba al salir.

El equipo de Kapitulnik en Stanford también descubrió que un campo magnético podría coaccionar a UTe ₂ en la luz torcida de una forma u otra. Si aplicaban un campo magnético apuntando hacia arriba cuando la muestra se volvía superconductora, la luz que sale se inclinará hacia la izquierda. Si apuntaron el campo magnético hacia abajo, la luz se inclinó hacia la derecha. Esto les dijo a los investigadores que, para los electrones que bailan dentro de la muestra, había algo especial en las direcciones ascendentes y descendentes del cristal.

Para aclarar qué significó todo esto para los electrones que bailan en el superconductor, los investigadores contaron con la ayuda de Daniel F. Agterberg, teórico y profesor de física en la Universidad de Wisconsin-Milwaukee y coautor de la Ciencias papel. Según la teoría, la forma en que los átomos de uranio y telurio están dispuestos dentro de la UTe ₂ El cristal permite que las parejas de electrones se unan en ocho configuraciones de baile diferentes. Dado que la medición de calor específico muestra que se están realizando dos bailes al mismo tiempo, Agterberg enumeró todas las diferentes formas de emparejar estos ocho bailes. La naturaleza retorcida de la luz reflejada y el poder coercitivo de un campo magnético a lo largo del eje de arriba hacia abajo reducen las posibilidades a cuatro. Resultados anteriores que muestran la robustez de UTe ₂ La superconductividad bajo grandes campos magnéticos lo restringió aún más a solo dos de esos pares de danzas, ambos forman un vórtice e indican una tormenta, danza topológica.

"Lo interesante es que, dadas las limitaciones de lo que hemos visto de forma experimental, nuestra mejor teoría apunta a la certeza de que el estado superconductor es topológico, "dice Paglione.

Si la naturaleza de la superconductividad en un material es topológica, la resistencia seguirá llegando a cero en la mayor parte del material, pero en la superficie sucederá algo único:partículas, conocidos como modos Majorana, aparecerá y formará un fluido que no es un superconductor. Estas partículas también permanecen en la superficie a pesar de defectos en el material o pequeñas alteraciones del medio ambiente. Los investigadores han propuesto que, gracias a las propiedades únicas de estas partículas, podrían ser una buena base para las computadoras cuánticas. Codificar una pieza de información cuántica en varias Majoranas que están muy separadas hace que la información sea virtualmente inmune a las perturbaciones locales que, hasta aquí, han sido la pesadilla de las computadoras cuánticas.

El equipo de Anlage quería sondear la superficie de UTe ₂ más directamente para ver si podían detectar firmas de este mar de Majorana. Para hacer eso, enviaron microondas hacia un trozo de UTe ₂ , y midió las microondas que salieron del otro lado. Compararon la salida con y sin la muestra, lo que les permitió probar las propiedades de la masa y la superficie simultáneamente.

La superficie deja una huella en la fuerza de las microondas, lo que lleva a una salida que se mueve hacia arriba y hacia abajo en sincronía con la entrada, pero un poco apagada. Pero dado que la mayor parte es un superconductor, no ofrece resistencia a las microondas y no cambia su fuerza. En lugar de, los frena, provocando retrasos que hacen que la salida se mueva hacia arriba y hacia abajo sin sincronizar con la entrada. Al observar las partes desincronizadas de la respuesta, los investigadores determinaron cuántos de los electrones dentro del material participan en la danza emparejada a varias temperaturas. Descubrieron que el comportamiento coincidía con los bailes circulares sugeridos por el equipo de Paglione.

Quizás lo más importante, la parte sincronizada de la respuesta de microondas mostró que la superficie de UTe ₂ no es superconductor. Esto es inusual ya que la superconductividad suele ser contagiosa:poner un metal regular cerca de un superconductor propaga la superconductividad al metal. Pero la superficie de UTe ₂ no pareció captar la superconductividad de la masa, tal como se esperaba para un superconductor topológico, y en cambio respondió a las microondas de una manera que no se había visto antes.

"La superficie se comporta de manera diferente a cualquier superconductor que hayamos visto, "Dice Anlage." Y luego la pregunta es '¿Cuál es la interpretación de ese resultado anómalo?' Y una de las interpretaciones, que sería coherente con todos los demás datos, es que tenemos este estado de superficie protegido topológicamente que es como una especie de envoltura alrededor del superconductor del que no puedes deshacerte ".

Puede resultar tentador concluir que la superficie de UTe ₂ Se cubre con un mar de modos de Majorana y declara la victoria. Sin embargo, las reclamaciones extraordinarias requieren pruebas extraordinarias. Anlage y su grupo han intentado encontrar todas las posibles explicaciones alternativas de lo que estaban observando y las descartaron sistemáticamente. desde la oxidación en la superficie hasta la luz que incide en los bordes de la muestra. Todavía, Es posible que aún no se haya descubierto una explicación alternativa sorprendente.

"En el fondo de tu cabeza siempre estás pensando 'Oh, tal vez fueron los rayos cósmicos ', o 'tal vez fue otra cosa, '", dice Anlage." Nunca se puede eliminar al 100% cualquier otra posibilidad ".

Por parte de Paglione, él dice que la pistola humeante será nada menos que usar los modos de superficie Majorana para realizar un cálculo cuántico. Sin embargo, incluso si la superficie de UTe ₂ realmente tiene un montón de modos Majorana, Actualmente no existe una forma sencilla de aislarlos y manipularlos. Hacerlo podría ser más práctico con una película delgada de UTe ₂ en lugar de los cristales (más fáciles de producir) que se utilizaron en estos experimentos recientes.

"Tenemos algunas propuestas para intentar hacer películas delgadas, "Dice Paglione." Debido a que es uranio y es radioactivo, requiere algún equipo nuevo. La siguiente tarea sería tratar de ver si podemos cultivar películas. Y luego, la siguiente tarea sería intentar hacer dispositivos. Entonces eso requeriría varios años, pero no es una locura ".

Ya sea UTe ₂ demuestra ser el superconductor topológico tan esperado o simplemente una paloma que aprendió a nadar y a graznar como un pato, tanto Paglione como Anlage están emocionados de seguir descubriendo lo que el material tiene reservado.

"Sin embargo, está bastante claro que hay mucha física interesante en el material, "Dice Anlage." Si se trata de Majoranas en la superficie o no es sin duda una cuestión de importancia, pero explorar la física novedosa es lo más emocionante ".