Los materiales en estado superconductor son de enorme interés para los científicos. Esto se debe a unas propiedades excepcionales —principalmente la capacidad de conducir electricidad sin resistencia alguna y sin pérdidas de calor— que prometen transformar la informática, las redes energéticas y el transporte.
Este fenómeno ocurre cuando los electrones libres se condensan en un estado cuántico de baja energía a temperaturas muy frías, agrupándose en lo que se denominan pares de Cooper, lo que les permite atravesar los materiales sin interferencias. En 2007, los científicos predijeron la existencia de un tipo de movimiento electrónico más exótico, llamado onda de densidad de pares (PDW, por sus siglas en inglés), en el que los pares de Cooper forman patrones específicos mientras se mueven, como ondulaciones en la arena.
Ahora, un equipo liderado por investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign ha encontrado pruebas convincentes de la presencia de ondas de densidad de fase (PDW) en la superficie del ditelururo de uranio metálico, y sus resultados se han publicado en PNAS. Es más, se descubrió que estos patrones persistían fuera del estado superconductor estándar, algo que nunca se había visto antes.
“Las ondas de densidad de pares son como la sonrisa del Gato de Cheshire de la superconductividad“, afirma el físico Eduardo Fradkin, de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign.
“Son el vestigio que queda una vez que la fase en sí ha desaparecido”.
“En los superconductores convencionales, los pares de Cooper se forman cuando se produce la transición de fase completa, pero en este sistema, su observación en las ondas de densidad de probabilidad por encima del punto de transición muestra que se forman previamente en un estado diferente”.
El ditelururo de uranio se convierte en superconductor por debajo de unos 2,1 Kelvin (aproximadamente -271°C) y es de particular interés para los investigadores, ya que se cree que es un raro superconductor de “triplete de espín”, en el que los electrones apareados también tienen una pequeña orientación magnética. Anteriormente se habían detectado indicios de PDW en el metal, y en esta ocasión los investigadores lo examinaron más de cerca utilizando una forma de ditelururo de uranio de alta calidad, fabricada a medida.
El material fue analizado mediante un microscopio de efecto túnel (STM) de campo magnético vectorial, que puede medir respuestas magnéticas en múltiples direcciones arbitrarias.
“Una ventaja clave de nuestro experimento fue el equipo de imanes vectoriales de reciente desarrollo, que proporciona un rango de campo magnético inusualmente amplio en múltiples direcciones”, afirma el físico Zhen Zhu, de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign.
“Al variar sistemáticamente tanto la magnitud como la dirección del campo, junto con la temperatura, pudimos rastrear cómo evolucionaban estos modos y tener la certeza de que el comportamiento que observamos era intrínseco”.
Los investigadores añadieron modelos teóricos para explicar los patrones de carga que observaban por debajo de la temperatura crítica necesaria para la superconductividad, y también en un punto significativamente superior a ella.
“Gracias a los nuevos métodos para cultivar muestras de mayor calidad, pudimos observar firmas espectrales que responden a la temperatura y a los campos magnéticos exactamente como deberían hacerlo las ondas de densidad de pares”, afirma la física Vidya Madhavan, de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign.
“Incluso demostramos que los modos persisten por encima de la temperatura a la que desaparece la superconductividad, una predicción teórica reveladora que no se había observado de forma convincente hasta ahora”.
Esto no significa que se esté produciendo superconductividad masiva en el ditelururo de uranio a temperaturas más altas, pero sí ayuda a los físicos a comprender cómo funcionan los pares de Cooper y cómo pueden existir fuera del estado superconductor convencional. También podría ayudar a los investigadores a comprender mejor la física necesaria para desarrollar superconductores a temperaturas más elevadas. Dichos avances podrían, con el tiempo, hacer que estos materiales sean más ampliamente utilizables.
Existe otro estado de ondulación electrónica denominado ondas de densidad de carga (CDW, por sus siglas en inglés), en el que algunos electrones adoptan patrones no uniformes. Comprender cómo estas ondas se relacionan con las ondas de densidad de potencia (PDW, por sus siglas en inglés) será crucial para interpretar los resultados experimentales en el futuro.
“Las ondas de densidad de probabilidad (PDW) son difíciles de analizar en materiales reales, porque se comportan como superconductores convencionales en algunos experimentos y como ondas de densidad de carga (CDW) en otros”, afirma el físico Julian May-Mann de la Universidad de Stanford.
“Confirmar la existencia de una PDW requiere tanto datos experimentales de alta calidad como un análisis teórico cuidadoso”.
La investigación ha sido publicada en PNAS.
Fuente: Science Alert.