Los físicos han identificado una conexión inesperada entre el magnetismo y un pseudogap, una extraña fase de la materia que aparece en algunos materiales cuánticos justo antes de la superconducción. Esta información podría ayudar a los investigadores a desarrollar nuevos materiales con propiedades valiosas, incluida la superconductividad a alta temperatura, donde la electricidad viaja sin pérdida de energía.
El descubrimiento provino de experimentos que utilizaron un simulador cuántico enfriado a temperaturas justo por encima del cero absoluto. A medida que el sistema se enfriaba, los investigadores observaron un patrón constante de cómo los electrones afectan la orientación magnética de los electrones cercanos. Como los electrones pueden girar hacia arriba o hacia abajo, estas interacciones dan forma al comportamiento general del material. El trabajo representa un paso importante hacia el esclarecimiento de la superconductividad no convencional y fue posible gracias a la colaboración entre teóricos como Antoine Georges, físico experimental del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Alemania, y Antoine Georges, director del Centro de Física Cuántica Computacional (CCQ) del Instituto Flatiron de la Fundación Simmons en la ciudad de Nueva York.
El equipo internacional informó sus hallazgos. Actas de la Academia Nacional de Ciencias.
Por qué la superconductividad sigue siendo un enigma
La superconductividad se ha estudiado durante décadas debido a su potencial para transformar tecnologías como la transmisión de energía a larga distancia y la computación cuántica. A pesar de estos esfuerzos, los científicos aún carecen de una comprensión completa de cómo surge la superconductividad, especialmente en materiales que operan a temperaturas relativamente altas.
En muchos superconductores de alta temperatura, el estado superconductor no surge directamente de una simple fase metálica. En cambio, el material pasa primero por una etapa intermedia conocida como pseudoespacio. En esta etapa, los electrones se comportan de maneras inusuales y hay menos estados electrónicos disponibles para que fluya la corriente. Por esta razón, comprender la pseudobrecha se considera esencial para descubrir los mecanismos detrás de la superconductividad y mejorar el rendimiento del material.
Magnetización bajo estrés por dopaje
Cuando un elemento tiene una cantidad normal de electrones, esos electrones tienden a organizarse en un patrón magnético ordenado llamado antiferromagnetismo. En esta disposición, los electrones vecinos apuntan en direcciones opuestas, muy parecido a una secuencia izquierda-derecha cuidadosamente sincronizada.
Este patrón ordenado se rompe cuando se eliminan electrones mediante un proceso conocido como dopaje. Durante muchos años, los científicos creyeron que el dopaje eliminaba por completo el orden magnético de largo alcance. El nuevo estudio de PNAS desafía esta hipótesis al mostrar que a temperaturas extremadamente bajas, una forma sutil de organización sobrevive bajo el aparente desorden. Estos experimentos se guiaron por trabajos teóricos previos sobre pseudogaps realizados en el CCQ, que dieron como resultado un artículo de 2024. ciencia.
Simulando materia cuántica con átomos ultrafríos
Para explorar este comportamiento, el equipo de investigación utilizó el modelo de Fermi-Hubbard, un marco teórico ampliamente aceptado que describe cómo interactúan los electrones en un sólido. En lugar de estudiar el material real, los investigadores recrearon el modelo utilizando átomos de litio enfriados a una milmillonésima de grado por encima del cero absoluto. Estos átomos estaban dispuestos en una red óptica cuidadosamente controlada hecha de luz láser.
Los simuladores cuánticos de átomos ultrafríos permiten a los científicos reproducir el comportamiento complejo de los materiales en condiciones que los experimentos tradicionales en estado sólido no pueden lograr. Utilizando un microscopio cuántico de gases, que puede obtener imágenes de átomos individuales y detectar su orientación magnética, el equipo recopiló más de 35.000 instantáneas detalladas. Estas imágenes capturaron tanto las posiciones de los átomos como sus correlaciones magnéticas en una amplia gama de temperaturas y niveles de dopaje.
“Es sorprendente que los simuladores cuánticos analógicos basados en átomos ultrafríos puedan ahora enfriarse a temperaturas en las que se observan complejos fenómenos cuánticos colectivos”, afirma Georges.
Surge un patrón magnético universal
Los datos revelaron un resultado interesante. “La correlación magnética sigue un patrón universal único cuando se representa en función de una escala de temperatura específica”, explica el autor principal, Thomas Chalopin, del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica. “Y esta escala es comparable a la temperatura del pseudoespacio, el punto en el que aparece el pseudoespacio”. Esto significa que el pseudoespacio está íntimamente ligado a la fina estructura magnética que continúa debajo de lo que inicialmente parece ser desorden.
El estudio también demostró que las interacciones de electrones en este régimen son más complejas que los pares simples. En cambio, los electrones forman estructuras más grandes relacionadas con múltiples partículas. Incluso un solo dopante puede alterar el orden magnético en una región sorprendentemente amplia. A diferencia de estudios anteriores que se centraron únicamente en pares de electrones, este estudio midió correlaciones que involucran hasta cinco partículas simultáneamente, un nivel de detalle logrado solo por un pequeño número de laboratorios en todo el mundo.
Revelar correlaciones ocultas
Para los teóricos, estos resultados proporcionan un nuevo punto de referencia importante para los modelos de pseudogap. En términos más generales, los resultados acercan a los científicos a comprender cómo surge la superconductividad de alta temperatura a partir del movimiento colectivo de electrones que interactúan y bailan. “Al revelar el orden magnético oculto en el pseudoespacio, estamos descubriendo un mecanismo que, en última instancia, puede estar relacionado con la superconductividad”, explica Chalopin.
El trabajo también destaca la importancia de una estrecha colaboración entre la teoría y el experimento. Al combinar predicciones teóricas precisas con simulaciones cuánticas cuidadosamente controladas, los investigadores pueden descubrir patrones que de otro modo permanecerían ocultos.
Este esfuerzo internacional combina experiencia experimental y teórica, y los experimentos futuros tienen como objetivo enfriar aún más el sistema, explorar formas adicionales de orden y desarrollar nuevas formas de observar la materia cuántica desde nuevas perspectivas.
“Las simulaciones cuánticas analógicas están entrando en una fase nueva y apasionante, que desafía los algoritmos clásicos que desarrollamos en el CCQ”, afirmó Georges. “Al mismo tiempo, esos experimentos requieren la guía de la teoría y las simulaciones clásicas. La colaboración entre teóricos y experimentalistas es más importante que nunca”.
