La superconductividad es un estado físico cuántico en el que un metal es capaz de conducir electricidad de manera perfecta, sin ninguna resistencia. Este fenómeno, en su aplicación más común, permite a los potentes imanes de las máquinas de resonancia magnética (MRI) crear los campos magnéticos que permiten a los médicos observar el interior de nuestros cuerpos. Hasta ahora, los materiales solo han logrado alcanzar la superconductividad a temperaturas extremadamente bajas, cercanas al cero absoluto (unos pocos Kelvin o menos).
Sin embargo, los físicos sueñan con materiales superconductores que puedan operar a temperatura ambiente, lo que abriría posibilidades completamente nuevas en áreas como la computación cuántica, el sector energético y las tecnologías médicas. «Entender los mecanismos que llevan a la formación de la superconductividad y descubrir nuevas fases superconductoras exóticas es una de las búsquedas más estimulantes en el estudio fundamental de los materiales cuánticos, impulsada por el sueño de lograr superconductividad a temperatura ambiente», afirma Stevan Nadj-Perge, profesor de física aplicada y ciencia de materiales en el Instituto Tecnológico de California (Caltech).
Un nuevo estado superconductor
Un equipo liderado por Nadj-Perge, que incluye a Lingyuan Kong, investigador postdoctoral en el AWS, y otros colegas de Caltech, ha descubierto un nuevo estado superconductor, un hallazgo que proporciona una nueva pieza del rompecabezas detrás de este fenómeno poderoso y enigmático. El trabajo fue publicado el 19 de marzo en la revista Nature.
En los metales normales, los electrones individuales colisionan con los iones a medida que se mueven a través de la estructura cristalina del metal, compuesta por iones de carga opuesta. Cada colisión provoca que los electrones pierdan energía, lo que aumenta la resistencia eléctrica. En cambio, en los superconductores, los electrones son débilmente atraídos entre sí y pueden formar pares denominados pares de Cooper.
Siempre que los electrones permanezcan dentro de un rango relativamente pequeño de niveles de energía, conocido como el «gap» de energía, los electrones se mantienen emparejados y no pierden energía a través de colisiones. Por lo tanto, es dentro de ese pequeño gap de energía donde ocurre la superconductividad. Típicamente, el gap de energía de un superconductor es el mismo en todas las ubicaciones dentro del material. Por ejemplo, en un cristal superconductor sin impurezas, todas las partes del cristal tendrían el mismo gap de energía.
Desde la década de 1960, los científicos comenzaron a teorizar que el gap de energía en algunos materiales superconductores podría modularse en el espacio, lo que significa que podría ser más fuerte en algunas áreas y más débil en otras. Posteriormente, en la década de 2000, se desarrolló más esta idea con la propuesta de lo que se denomina el estado de densidad de pares (PDW), que sugiere que un estado superconductor podría surgir en el que el gap de energía modula con una longitud de onda larga, fluctuando entre una medición mayor y menor.
En la última década, este concepto ha suscitado un interés experimental significativo, explorándose numerosos materiales, incluidos los superconductores a base de hierro, como posibles anfitriones de un estado PDW. Trabajando con láminas extremadamente delgadas de un superconductor a base de hierro, FeTe0.55Se0.45, Nadj-Perge y sus colegas han descubierto una modulación del gap superconductor con la longitud de onda más pequeña posible, coincidiendo con el espaciado de los átomos en un cristal. Han denominado a este nuevo estado como la modulación de densidad de pares de Cooper (PDM).
«La modulación del gap observada, alcanzando hasta el 40%, representa la más fuerte reportada hasta la fecha, proporcionando la evidencia experimental más clara hasta ahora de que la modulación del gap puede existir incluso a escala atómica», afirma Kong, autor principal del nuevo artículo. Este descubrimiento inesperado fue posible gracias a la primera realización exitosa de experimentos de microscopía de túnel de barrido en un superconductor a base de hierro, utilizando un dispositivo especializado para estudiar tales láminas delgadas. Experimentos previos se habían visto obstaculizados durante casi dos décadas por la presencia de una severa contaminación superficial, pero el equipo de Caltech, trabajando en el Instituto de Nanociencia Kavli (KNI), desarrolló un nuevo enfoque experimental que permitió una superficie suficientemente limpia para las sondas microscópicas.
Michał Papaj, profesor asistente de física en la Universidad de Houston, y Patrick A. Lee, profesor William y Emma Rogers de Física en el MIT y asociado visitante en Caltech, ambos coautores del nuevo artículo, desarrollaron un modelo teórico para explicar el posible origen de la modulación del gap observada. «Su modelo sugiere que esta modulación del estado PDM surge de la ruptura de la simetría de subred y de una simetría rotacional única específica de las láminas delgadas», explica Nadj-Perge.
Este avance en la comprensión de la superconductividad no solo amplía el horizonte del conocimiento científico, sino que también plantea nuevas oportunidades para el desarrollo de tecnologías que podrían transformar nuestra vida cotidiana, en un mundo donde la innovación constante es clave para el progreso.
