Los físicos de Princeton han descubierto un cambio abrupto en el comportamiento cuántico mientras experimentaban con un aislante de tres átomos de espesor que puede convertirse fácilmente en un superconductor.
La investigación promete mejorar nuestra comprensión de la física cuántica de los sólidos en general y también impulsar el estudio de la física cuántica de la materia condensada y la superconductividad en direcciones potencialmente nuevas. Los resultados fueron publicados en la revista Nature Physics. en un artículo titulado "Criticidad cuántica superconductora no convencional en monocapa WTe2 ."
Los investigadores, dirigidos por Sanfeng Wu, profesor asistente de física en la Universidad de Princeton, descubrieron que el cese repentino (o "muerte") de las fluctuaciones de la mecánica cuántica exhibe una serie de comportamientos y propiedades cuánticas únicos que parecen estar fuera del alcance de las teorías establecidas. .
Las fluctuaciones son cambios aleatorios temporales en el estado termodinámico de un material que está a punto de sufrir una transición de fase. Un ejemplo familiar de transición de fase es el derretimiento del hielo en agua. El experimento de Princeton investigó las fluctuaciones que se producen en un superconductor a temperaturas cercanas al cero absoluto.
"Lo que encontramos, al observar directamente las fluctuaciones cuánticas cerca de la transición, fue una evidencia clara de una nueva transición de fase cuántica que desobedece las descripciones teóricas estándar conocidas en el campo", dijo Wu. "Una vez que comprendamos este fenómeno, creemos que existe una posibilidad real de que surja una teoría nueva e interesante".
En el mundo físico, las transiciones de fase ocurren cuando un material como un líquido, gas o sólido cambia de un estado o forma a otro. Pero las transiciones de fase también ocurren a nivel cuántico. Estos ocurren a temperaturas cercanas al cero absoluto (-273,15° Celsius) e implican el ajuste continuo de algún parámetro externo, como la presión o el campo magnético, sin elevar la temperatura.
Los investigadores están particularmente interesados en cómo se producen las transiciones de fase cuánticas en los superconductores, materiales que conducen la electricidad sin resistencia. Los superconductores pueden acelerar el proceso de información y formar la base de potentes imanes utilizados en la atención sanitaria y el transporte.
"Cómo se puede cambiar una fase superconductora a otra fase es un área de estudio intrigante", dijo Wu. "Y llevamos un tiempo interesados en este problema de materiales atómicamente delgados, limpios y monocristalinos".
La superconductividad se produce cuando los electrones se emparejan y fluyen al unísono sin resistencia y sin disipar energía. Normalmente, los electrones viajan a través de circuitos y cables de manera errática, empujándose entre sí de una manera que, en última instancia, es ineficiente y desperdicia energía. Pero en el estado superconductor, los electrones actúan en conjunto de una manera que es energéticamente eficiente.
La superconductividad se conoce desde 1911, aunque cómo y por qué funcionaba siguió siendo en gran medida un misterio hasta 1956, cuando la mecánica cuántica comenzó a arrojar luz sobre el fenómeno. Pero sólo en la última década se ha estudiado la superconductividad en materiales bidimensionales limpios y atómicamente delgados. De hecho, durante mucho tiempo se creyó que la superconductividad era imposible en un mundo bidimensional.
"Esto se debe a que, a medida que se baja a dimensiones, las fluctuaciones se vuelven tan fuertes que 'matan' cualquier posibilidad de superconductividad", dijo N. Phuan Ong, profesor de Física Eugene Higgins en la Universidad de Princeton y autor del artículo.
La principal forma en que las fluctuaciones destruyen la superconductividad bidimensional es mediante la aparición espontánea de lo que se llama un vórtice cuántico (plural:vórtices).
Cada vórtice se asemeja a un pequeño remolino compuesto por una hebra microscópica de campo magnético atrapada dentro de una corriente de electrones arremolinada. Cuando la muestra se eleva por encima de una determinada temperatura, aparecen espontáneamente vórtices en pares:vórtices y anti-vórtices. Su rápido movimiento destruye el estado superconductor.
"Un vórtice es como un remolino", dijo Ong. "Son versiones cuánticas del remolino que se ve cuando se drena una bañera."
Los físicos ahora saben que la superconductividad en películas ultrafinas existe por debajo de una cierta temperatura crítica conocida como transición BKT, llamada así en honor a los físicos de materia condensada Vadim Berezinskii, John Kosterlitz y David Thouless. Estos dos últimos compartieron el Premio Nobel de Física en 2016 con el físico de Princeton F. Duncan Haldane, profesor de Física de la Universidad Sherman Fairchild.
La teoría BKT se considera ampliamente como una descripción exitosa de cómo los vórtices cuánticos proliferan en superconductores bidimensionales y destruyen la superconductividad. La teoría se aplica cuando la transición superconductora se induce calentando la muestra.
La cuestión de cómo destruir la superconductividad bidimensional sin aumentar la temperatura es un área activa de investigación en los campos de la superconductividad y las transiciones de fase. A temperaturas cercanas al cero absoluto, las fluctuaciones cuánticas inducen una transición cuántica. En este escenario, la transición es distinta de la transición BKT impulsada por la temperatura.
Los investigadores comenzaron con un cristal a granel de diteluuro de tungsteno (WTe2 ), que se clasifica como un semimetal estratificado. Los investigadores comenzaron convirtiendo el ditelururo de tungsteno en un material bidimensional exfoliando cada vez más el material hasta obtener una sola capa delgada como un átomo.
En este nivel de delgadez, el material se comporta como un aislante muy fuerte, lo que significa que sus electrones tienen un movimiento limitado y, por tanto, no pueden conducir electricidad. Sorprendentemente, los investigadores descubrieron que el material exhibe una serie de comportamientos cuánticos novedosos, como el cambio entre fases aislantes y superconductoras. Pudieron controlar este comportamiento de conmutación construyendo un dispositivo que funciona como un interruptor de "encendido y apagado".
Pero este fue sólo el primer paso. A continuación, los investigadores sometieron el material a dos condiciones importantes. Lo primero que hicieron fue enfriar el ditelururo de tungsteno a temperaturas excepcionalmente bajas, aproximadamente 50 miliKelvin (mK).
Cincuenta miliKelvin equivalen a -273,10° Celsius (o -459,58° Fahrenheit), una temperatura increíblemente baja en la que los efectos de la mecánica cuántica son dominantes.
Luego, los investigadores convirtieron el material de un aislante en un superconductor introduciendo algunos electrones adicionales en el material. No se necesitó mucho voltaje para alcanzar el estado superconductor. "Sólo una pequeña cantidad de voltaje de puerta puede cambiar el material de un aislante a un superconductor", dijo Tiancheng Song, investigador postdoctoral en física y autor principal del artículo. "Este es realmente un efecto notable."
Los investigadores descubrieron que podían controlar con precisión las propiedades de la superconductividad ajustando la densidad de los electrones en el material mediante el voltaje de la puerta. En una densidad electrónica crítica, los vórtices cuánticos proliferan rápidamente y destruyen la superconductividad, lo que provoca que se produzca la transición de fase cuántica.
Para detectar la presencia de estos vórtices cuánticos, los investigadores crearon un pequeño gradiente de temperatura en la muestra, haciendo que un lado del diteluro de tungsteno sea ligeramente más cálido que el otro. "Los vórtices buscan el borde más frío", dijo Ong. "En el gradiente de temperatura, todos los vórtices de la muestra se desplazan hacia la parte más fría, por lo que lo que has creado es un río de vórtices que fluye desde la parte más cálida a la más fría".
El flujo de vórtices genera una señal de voltaje detectable en un superconductor. Esto se debe a un efecto que lleva el nombre del físico Brian Josephson, ganador del Premio Nobel, cuya teoría predice que cada vez que una corriente de vórtices cruza una línea trazada entre dos contactos eléctricos, genera un voltaje transversal débil, que puede ser detectado por un nanovoltio. metro.
"Podemos verificar que se trata del efecto Josephson; si se invierte el campo magnético, el voltaje detectado se invierte", dijo Ong.
"Esta es una firma muy específica de una corriente de vórtice", añadió Wu. "La detección directa de estos vórtices en movimiento nos proporciona una herramienta experimental para medir las fluctuaciones cuánticas en la muestra, algo que de otro modo sería difícil de lograr."
Una vez que los autores pudieron medir estas fluctuaciones cuánticas, descubrieron una serie de fenómenos inesperados. La primera sorpresa fue la notable robustez de los vórtices. El experimento demostró que estos vórtices persisten a temperaturas y campos magnéticos mucho más altos de lo esperado. Sobreviven a temperaturas y campos muy por encima de la fase superconductora, en la fase resistiva del material.
Una segunda gran sorpresa es que la señal del vórtice desapareció abruptamente cuando la densidad electrónica se sintonizó justo por debajo del valor crítico en el que se produce la transición de fase cuántica del estado superconductor. En este valor crítico de densidad electrónica, que los investigadores llaman punto crítico cuántico (QCP), que representa un punto a temperatura cero en un diagrama de fases, las fluctuaciones cuánticas impulsan la transición de fase.
"Esperábamos ver fuertes fluctuaciones persistentes por debajo de la densidad crítica de electrones en el lado no superconductor, al igual que las fuertes fluctuaciones observadas muy por encima de la temperatura de transición BKT", dijo Wu.
"Sin embargo, lo que encontramos fue que las señales del vórtice desaparecen 'repentinamente' en el momento en que se cruza la densidad electrónica crítica. Y esto fue un shock. No podemos explicar en absoluto esta observación:la 'muerte repentina' de las fluctuaciones".
Ong añadió:"En otras palabras, hemos descubierto un nuevo tipo de punto crítico cuántico, pero no lo entendemos".
En el campo de la física de la materia condensada existen actualmente dos teorías establecidas que explican las transiciones de fase de un superconductor:la teoría de Ginzburg-Landau y la teoría BKT. Sin embargo, los investigadores descubrieron que ninguna de estas teorías explica los fenómenos observados.
"Necesitamos una nueva teoría para describir lo que está sucediendo en este caso", dijo Wu, "y eso es algo que esperamos abordar en trabajos futuros, tanto teórica como experimentalmente".
Más información: Tiancheng Song et al, Criticidad cuántica superconductora no convencional en monocapa WTe2 , Física de la Naturaleza (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02291-1
Información de la revista: Física de la Naturaleza
Proporcionado por la Universidad de Princeton
