El descubrimiento de la superconductividad hace más de un siglo ha cambiado significativamente nuestro mundo.
La historia comenzó en 1911, cuando el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes observó que la resistencia eléctrica del mercurio caía abruptamente a cero cuando se enfriaba a una temperatura de aproximadamente 4 Kelvin (aproximadamente 269°C), un poco más fría que el punto de ebullición del líquido. helio.
Las aplicaciones prácticas de este notable efecto se realizaron mucho más tarde, en 1986, cuando se descubrió una clase de superconductores de alta temperatura. Estos materiales con alta Tc tienen una temperatura crítica inferior al punto de ebullición del nitrógeno líquido, aproximadamente -196 °C, lo que reduce la complejidad y el coste de su funcionamiento.
Hoy en día, es imposible sobreestimar las consecuencias beneficiosas del descubrimiento de la superconductividad. Este fenómeno va entrando poco a poco en nuestra vida cotidiana, aunque el papel único que desempeña no es fácilmente visible.
La persistencia de las corrientes eléctricas en el material superconductor implica que no hay pérdidas de energía en los circuitos superconductores, poniendo en funcionamiento Trenes Maglev de alta velocidad que utilizan la levitación magnética para reducir la fricción energética casi a cero.
El flujo de electricidad sin resistencia allana el camino para prometedores acumuladores de energía de respuesta rápida (almacenamiento de energía magnética superconductora) y sirve como núcleo de los dispositivos de imágenes por resonancia magnética (conocidos ampliamente como "MRI") que se utilizan ampliamente en hospitales y centros médicos. centros de investigación.
La superconductividad surge como resultado de la formación de pares de electrones unidos por cuantos de vibraciones de red (fonones). A bajas temperaturas, estos pares de Cooper se condensan y forman una superposición coherente de estados, un condensado bosónico, que se mueve a través de la red cristalina sin dispersarse, lo que da como resultado una resistencia eléctrica cero.
La condensación de los pares de Cooper también conduce a la expulsión de campos magnéticos del superconductor, un fenómeno conocido como efecto Meissner, que no se explica simplemente por la ausencia de resistencia eléctrica. La aversión entre el campo magnético y la superconductividad es un sentimiento mutuo compartido por ambas partes, ya que el campo magnético destruye el estado superconductor si este último no puede repelerlo mediante el efecto Meissner.
Los campos magnéticos involucrados tienen una intensidad del orden de cien Tesla para ciertos superconductores de alta Tc. Por el contrario, otros materiales superconductores no pueden resistir campos mucho más débiles, con una fracción de un Tesla.
Para tener una idea de la fuerza del campo magnético involucrado, un Tesla es la fuerza del campo magnético en un altavoz común y corriente. Una resonancia magnética emplea imanes de bobina superconductora que generan campos de la misma escala, hasta 2 Tesla, cuando la corriente eléctrica pasa a través de ellos.
En resumen, se sabe que la superconductividad que exhiben ciertos materiales es vulnerable a campos magnéticos fuertes.
Llegamos ahora a la controvertida cuestión del trabajo publicado en Physical Review Letters del que soy coautor:¿Podemos hacer un superconductor sin el uso de ningún material empleando solo un campo magnético? Esta pregunta suena controvertida y no particularmente inteligente, considerando lo que acabamos de describir hasta ahora.
En primer lugar, para conseguir un estado superconductor necesitamos materia, en forma de pares de cobre. En segundo lugar, parece que debemos evitar exponer este estado a campos magnéticos demasiado fuertes, ya que pueden destruir el flujo superconductor.
El requisito de no material significa que se nos anima a trabajar con "nada" como nuestro... bueno, "material". Aquí, "nada" significa la nada más vacía que podemos alcanzar, es decir, el vacío. El vacío, por definición, no contiene materia, partículas ni energía. Aplicar un fuerte campo magnético al vacío parece una idea desesperada, ya que el campo magnético no tiene nada que influir en él.
Sin embargo, el vacío no está completamente vacío gracias al principio de incertidumbre de Heisenberg, piedra angular de la física cuántica. El vacío se agita con la actividad de partículas virtuales que aparecen y desaparecen por breves momentos, formando una sopa hirviendo de fluctuaciones cuánticas.
Nuestro equipo, utilizando simulaciones numéricas avanzadas del primer principio, ha demostrado que un campo magnético suficientemente fuerte hace que estas fluctuaciones cuánticas se materialicen en forma de sólido. Este sólido parece estar hecho de materia similar a un vórtice, con los vórtices individuales aproximadamente alineados a lo largo del campo magnético. La existencia de tal sólido se planteó como hipótesis a finales de la década de 1980, y antes de nuestro trabajo no había una prueba de primer principio de su existencia.
Para añadir más perplejidad a nuestro hallazgo, mencionamos que este sólido exótico también tiene características específicas de un líquido:los vórtices se tambalean y se mueven, como en un líquido, pero permanecen aproximadamente fijos en posiciones particulares como en un sólido. A diferencia de lo que ocurre en un sólido típico, no observamos en ningún momento ninguna estructura cristalina. A diferencia de lo que ocurre con un líquido, los componentes del vórtice de este extraño material no intercambian sus posiciones espaciales.
Aún más desconcertante, los resultados de nuestro análisis implican fuertemente que este estado nacido del vacío es un... superconductor. Dicho esto, podríamos recordar la primera parte de esta historia, donde se proclamaba que el campo magnético era un enemigo de la superconductividad. Sin embargo, esta última afirmación ya no se puede aplicar a nuestra superconductividad, que literalmente nace de la nada... por el mismo campo magnético.
Probablemente, después de haber declarado estas características extrañas de la superconductividad del vacío, no sorprende que esta extraña sustancia superconductora de vórtice sólido-líquido (llamémosla "sustancia") también posea otra propiedad más:la superfluidez. La superfluidez, un primo eléctricamente neutro de la superconductividad, implica que la sustancia en cuestión alberga un componente similar a un fluido que es capaz de fluir sin viscosidad.
Si bien un coautor del presente estudio planteó la hipótesis de la superconductividad y la superfluidez del vacío en 2010, la naturaleza líquida del estado del vórtice es una sorpresa sorprendente.
En resumen, el estado descubierto es uno de los "algos" más exóticos que jamás haya existido. Quizás porque este "algo" se crea literalmente a partir de la "nada".
Un lector curioso puede ahora preguntarse razonablemente cuál es la fuerza del campo magnético necesaria para producir esta sustancia. No es algo que se pueda hacer con la ayuda de, digamos, un imán de nevera. ¿Y a partir de qué partículas virtuales se crea?
Para alcanzar el estado de vacío superconductor, se requiere que los campos magnéticos alcancen aproximadamente 0,74×10 20 Tesla (74 exatesla, siendo una exatesla igual a la unidad seguida de 18 ceros). Esta fuerza es mucho más fuerte que la que se puede encontrar en el imán de nuestro refrigerador, la que se puede encontrar en un examen en una resonancia magnética o incluso la que se puede crear en los laboratorios más avanzados de la Tierra. Es mucho más fuerte que el campo en el interior de las enanas blancas o incluso alrededor de las estrellas de neutrones magnetizadas más fuertes:los magnetares.
En cuanto al contenido de partículas, la superconductividad se consigue mediante la condensación de bosones W cargados eléctricamente. Al mismo tiempo, la superfluidez se mantiene mediante el condensado coexistente de bosones Z neutros.
Llegados a este punto, cabe plantear otra pregunta:si aumentamos aún más el campo magnético, ¿estos vórtices se volverían más robustos y formarían un cristal? La respuesta es negativa. En cambio, nuestras simulaciones revelaron algo aún más sorprendente que tiene algo que ver con el célebre condensado de Higgs. Este condensado es un componente básico del modelo estándar que da masa a partículas como quarks y electrones y crea el universo que nos rodea tal como lo conocemos.
Hemos descubierto que en un segundo campo magnético crítico más alto, de fuerza 260 exatesla, la forma superconductora del vacío se "derrite" (¡a temperatura cero!), pasando a otro estado más en el que el condensado del campo de Higgs desaparece. Este estado de campo alto se asemeja a una condición en la que nuestro universo era más joven que un primer picosegundo. La sugerencia teórica de la desaparición del condensado de Higgs en un fuerte campo magnético se remonta a mediados de los años 1970, pero se ha encontrado recientemente en nuestros trabajos.
Nuestros hallazgos no son sólo una curiosidad teórica. Como se planteó en 2021, campos tan fuertes pueden existir en atmósferas cuánticas por encima de los horizontes de sucesos de agujeros negros exóticos y altamente magnetizados. Por lo tanto, el extraño estado superconductor-superfluido-sólido-líquido del vacío podría haber aparecido en el curso de la evolución de nuestro universo o incluso podría existir en este mismo momento.
Sin embargo, es otra historia, ahora astrofísica.
Esta historia es parte de Science X Dialog, donde los investigadores pueden informar los hallazgos de sus artículos de investigación publicados. Visite esta página para obtener información sobre ScienceX Dialog y cómo participar.
Más información: M. N. Chernodub et al, Estructura de fases del vacío electrodébil en un campo magnético fuerte:resultados de la red, Cartas de revisión física (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.130.111802
Información de la revista: Cartas de revisión física
Maxim Chernodub es Director de Investigación CNRS (científico senior) en el Institut Denis Poisson, Tours, Francia, líder del grupo de Teoría de Campo. Los intereses de investigación de Chernodub incluyen la teoría cuántica de campos, la física de la materia condensada y la gravedad.
