La observación de los efectos de la relatividad especial no requiere necesariamente de objetos que se desplacen a una fracción significativa de la velocidad de la luz. De hecho, la contracción de longitud en la relatividad especial explica cómo funcionan los electroimanes. Un campo magnético no es más que un campo eléctrico visto desde un marco de referencia diferente.
Cuando un electrón se mueve en el campo eléctrico de otro electrón, este efecto relativista especial provoca que el electrón en movimiento interactúe con un campo magnético, y por tanto, con el momento angular de su spin. La interacción del spin en un campo magnético fue, en última instancia, cómo se descubrió el spin en el experimento de Stern-Gerlach en 1920. Ocho años después, la interacción del par spin-órbita (o acoplamiento spin-órbita) fue explicitada por Gregory Breit en 1928 y luego hallada en la mecánica cuántica relativista de Dirac. Esto confirmó una ecuación para la separación de energía de niveles atómicos desarrollada por Llewellyn Thomas en 1926, que se debe a 1) el campo magnético relativista especial visto por el electrón debido a su movimiento («órbita») alrededor del núcleo cargado positivamente, y 2) el momento magnético del spin del electrón interactuando con este campo magnético.
Recientemente, un acoplamiento de spin-órbita que previamente había sido desestimado se ha encontrado que podría ser lo suficientemente fuerte como para dar lugar a un tipo no convencional de superconductividad en ciertos materiales. Este estudio, realizado por Yasha Gindikin y Alex Kamenev de la Universidad de Minnesota, ha sido publicado en Physical Review B.
El Efecto Rashba y su Importancia en la Superconductividad
El acoplamiento desestimado proviene del efecto Rashba, que resulta de la interacción spin-órbita combinada con la asimetría del potencial del cristal, generando una fuerza perpendicular a un plano bidimensional. Este efecto fue descubierto inicialmente en tres dimensiones en 1959.
El acoplamiento spin-órbita de Rashba permite controlar los estados de spin utilizando medios eléctricos en lugar de magnéticos, lo que ha sido crucial para el desarrollo de la «spintrónica», una electrónica basada en el spin del electrón, y fue la base para la propuesta del transistor de spin.
Este acoplamiento depende del producto del spin y el momento angular, teniendo en cuenta sus direcciones, y varía en particular como el cuadrado del producto del número atómico del núcleo y la constante de estructura fina. Es pequeño en números atómicos bajos, debido al cuadrado de la constante de estructura fina (≈ 1/137), pero se vuelve significativo cuando el número atómico es elevado. Es especialmente fuerte cuando el spin y el momento angular apuntan en la misma dirección, y nulo cuando son perpendiculares.
El efecto Rashba puede surgir en un cristal que carece de simetría de inversión, donde los electrones de spin hacia arriba y hacia abajo se separan en diferentes bandas de conducción, «levantando la degeneración de spin de los electrones de la banda de conducción a momento finito», como indican los autores.
El estudio de Gindikin y Kamenev se centra en la interacción extensiva del spin-orbita de Rashba, producida por campos eléctricos externos a una red cristalina. Estos efectos son proporcionalmente inevitables al campo eléctrico externo. Dado que existen dos bandas de conducción, la interacción del par spin-orbita proviene de las fuerzas eléctricas (fuerzas de Coulomb) de una banda sobre los electrones de otras bandas.
Ya no se necesita una asimetría de inversión. «Esta clave idea—que el campo eléctrico… puede surgir de las fuerzas de Coulomb—abre una nueva avenida de investigación», escriben los coautores. Los campos de Coulomb pueden alcanzar magnitudes de hasta 100 millones de voltios por centímetro.
En particular, proponen que en ciertos materiales, esta interacción del par spin-orbita puede ser lo suficientemente fuerte como para dar lugar a una forma no convencional de superconductividad. El acoplamiento spin-orbita puede causar que los electrones se emparejen, al igual que los pares de Cooper, y producir un estado superconductivo con paridad extraña.
El «acoplamiento spin-orbita de Rashba de los electrones de la banda de conducción, resultado de la mezcla de bandas con bandas de valencia divididas por spin-orbita, se manifiesta en los efectos de interacción electrón-electrón».
Sus extensos cálculos predicen que el estado sería fácilmente interrumpido por cantidades moderadas de impurezas cargadas y defectos estructurales, dando lugar a campos locales y un acoplamiento spin-orbita de Rashba extrínseco, pero el estado superconductivo sería detectable si las muestras cristalinas fueran extremadamente puras y a temperaturas de unos pocos cientos de milikelvin.
El equipo exploró dos consecuencias de la interacción del par spin-orbita. Primero, este acoplamiento induce un emparejamiento superconductivo tipo p-wave, donde los pares de Cooper—pares de electrones que se mueven juntos a través del superconductor sin resistencia—tienen un momento angular específico y los electrones emparejados tienen spins paralelos, a diferencia de los superconductores convencionales donde los pares de Cooper tienen spins opuestos.
La segunda consecuencia de la interacción del par spin-orbita encontrada por los autores es su papel en facilitar el ferromagnetismo de Bloch, una idea propuesta por el físico Felix Bloch en 1929, «sugiriendo», como informó Phys.org en 2020, «que a densidades muy bajas, un ‘mar’ de electrones paramagnéticos debería transitar espontáneamente a un estado completamente magnetizado.»
La investigación de Gindikin y Kamenev abre una emocionante avenida de búsqueda de materiales con un efecto Rashba gigante y ajustable.
