Por primera vez, los investigadores han visualizado directamente el comportamiento cuántico que impulsa la superconductividad, un estado en el que los electrones emparejados permiten que la electricidad fluya con resistencia cero a temperaturas muy bajas.
Pero lo que vieron fue sorprendente.
En un estudio publicado el 15 de abril carta de revisión físicaEl equipo capturó imágenes de átomos formando pares dentro de un gas especialmente preparado que se ha enfriado hasta casi el cero absoluto, el límite inalcanzable de cuán frío puede llegar a ser cualquier cosa. Este sistema, conocido como gas Fermi, permite a los científicos reemplazar electrones con átomos para poder estudiar la superconductividad en un entorno altamente controlado.
“Danzas” cuánticas inesperadas entre pares de partículas
Después de emparejar los átomos, los investigadores notaron algo inusual. La pareja no se comportó de forma independiente. En cambio, se mueven de manera concertada, con la posición de cada par afectada por el par vecino, un comportamiento no predicho por la teoría de la superconductividad ganadora del Premio Nobel de 70 años.
“Nuestros experimentos muestran que falta algo cualitativamente en esta teoría”, dijo Tariq Yefsah, jefe del estudio experimental en Kastler Bruselas, un laboratorio del Centro Nacional Francés de Investigación Científica (CNRS) en París. Yefsah y otros físicos experimentales del CNRS colaboraron con físicos teóricos, incluido Shiwei Zhang, del Instituto Flatiron de la Fundación Simmons, en el nuevo estudio.
El descubrimiento añade una pieza importante al rompecabezas de cómo funciona la superconductividad y podría ayudar a guiar los esfuerzos para crear superconductores a temperatura ambiente, un objetivo largamente buscado que podría mejorar drásticamente la eficiencia energética en las redes eléctricas y la electrónica.
¿Qué es la superconductividad y por qué es importante?
La superconductividad suele ocurrir en ciertos metales cuando se enfrían a temperaturas extremadamente bajas, mucho más frías que cualquier cosa que se encuentre naturalmente en la Tierra. Una vez que estos materiales caen por debajo de una temperatura crítica, su resistencia eléctrica desaparece repentinamente. Esto sucede porque los electrones forman pares que se mueven juntos, a menudo en comparación con los bailarines sincronizados en la pista de un salón de baile.
Este fenómeno fue explicado por primera vez en la década de 1950 por los físicos John Burdeen, Leon Cooper y John Robert Schriefer.
Limitaciones de la teoría clásica BCS
Sin embargo, la teoría BCS (que lleva el nombre de sus creadores) proporciona sólo una descripción aproximada. No puede explicar completamente cada tipo de superconductor ni capturar todos los aspectos del comportamiento involucrado. Los científicos han sospechado durante mucho tiempo que la teoría omite detalles clave, pero esas lagunas siguen sin estar claras.
“La teoría BCS nos dice que la superconductividad se produce porque los electrones tienen una tendencia a emparejarse”, dijo Zhang, científico investigador senior y líder de grupo en el Centro de Física Cuántica Computacional (CCQ) del Instituto Flatiron. “Pero es una teoría aproximada y no nos dice nada sobre cómo interactúan los pares”. Según la teoría BCS, estos pares operan de forma independiente, lo que significa que sus posiciones no deberían depender entre sí.
Un nuevo método de obtención de imágenes revela pares que interactúan
Para investigar esta pieza faltante, los físicos experimentales del CNRS trabajaron estrechamente con los teóricos del CCQ para ver cómo estos pares podrían influirse entre sí.
Utilizando una técnica de imágenes recientemente desarrollada, el equipo capturó instantáneas detalladas de las posiciones de los átomos emparejados. Trabajaron con un gas de átomos de litio enfriado a sólo unas pocas milmillonésimas de grado Celsius por encima del cero absoluto. A temperaturas tan extremas, los átomos se comportan como fermiones, la misma clase de partículas que los electrones, lo que constituye un sustituto ideal para estudiar la superconductividad.
Los diagramas muestran que los pares de átomos no están distribuidos aleatoriamente. En cambio, sus posiciones estaban vinculadas, y cada pareja se mantenía a cierta distancia de los demás, como una pareja en una pista de baile para evitar colisiones. Este comportamiento revela una capa adicional de organización no incluida en la estructura tradicional de BCS.
Una nueva visión del interior del “salón de baile” cuántico.
“La teoría BCS nos da una visión desde fuera del salón de baile, donde podemos escuchar la música y ver a los bailarines salir, pero no sabemos qué sucede dentro del salón de baile”, dice Yefsah. “Nuestro método es como llevar una cámara gran angular al interior de un salón de baile. Ahora podemos ver cómo los bailarines se forman en parejas y se prestan atención entre sí para no chocar entre sí”.
Para verificar los resultados, Zhang y su antiguo investigador postdoctoral en el CCQ, Yuan-Yao He, del Instituto de Física Moderna de la Universidad del Noroeste en China, realizaron simulaciones cuánticas detalladas del mismo sistema. Las simulaciones coincidieron con los datos experimentales y confirmaron el comportamiento recientemente observado, incluido el espacio entre los “bailarines” emparejados.
Implicaciones para los futuros superconductores
Estos hallazgos profundizan la comprensión de los científicos sobre los superconductores y otros materiales cuánticos hechos de fermiones. Estos conocimientos son esenciales para diseñar materiales que puedan ser superconductores a altas temperaturas.
En la década de 1980, los investigadores descubrieron una clase de materiales conocidos como superconductores de alta temperatura, que operan a temperaturas cercanas al nitrógeno líquido: -196 grados Celsius (menos 321 grados Fahrenheit), todavía fríos. Sin embargo, los científicos aún no comprenden completamente por qué estos materiales funcionan a temperaturas relativamente altas.
Al mejorar la comprensión fundamental de la superconductividad, los investigadores esperan desarrollar eventualmente materiales que funcionen a temperaturas cotidianas, lo que podría transformar las tecnologías informáticas y de transmisión de energía.
“Al comprender este caso simple, podemos ajustar nuestras herramientas para estudiar sistemas más complejos”, dijo Zhang. “Y sistemas más complejos en los que buscamos nuevas fases de la materia, que han impulsado muchos avances tecnológicos en el pasado”.
