Investigadores del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. han desarrollado una innovadora técnica que promete acelerar el avance de las tecnologías cuánticas. Esta técnica, denominada espectroscopía terahertz de espintrónica sensible a la superficie (SSTS, por sus siglas en inglés), ofrece una perspectiva sin precedentes sobre el comportamiento de los materiales cuánticos en interfaces.
El estudio, publicado en la revista Science Advances, revela la importancia de comprender las vibraciones colectivas de los átomos en las superficies de los materiales, conocidas como fonones superficiales. Según Zhaodong Chu, investigador postdoctoral en Argonne y autor principal del estudio, «nuestras conclusiones muestran diferencias sorprendentes entre los fonones superficiales y aquellos en el material en bloque, lo que abre nuevas avenidas para la investigación y aplicaciones».
Comportamiento de los Fonones Superficiales
En materiales como los cristales, los átomos forman patrones repetitivos llamados redes cristalinas, que pueden vibrar en ondas denominadas fonones. Aunque se ha avanzado en la comprensión de los fonones en el material en bloque, el conocimiento sobre los fonones superficiales, que ocurren a unos pocos nanómetros de una interfaz, es limitado. La investigación del equipo muestra que los fonones superficiales presentan comportamientos únicos, lo que permite fenómenos cuánticos como la superconductividad interfacial.
La superconductividad, que permite a los electrones fluir sin resistencia, tiene aplicaciones en tecnologías como máquinas de resonancia magnética y aceleradores de partículas. La superconductividad interfacial, un tipo que aparece solo en la frontera entre dos materiales, ofrece un gran potencial para nuevas tecnologías cuánticas.
El doctor Anand Bhattacharya, físico en Argonne, explica que «la idea para este descubrimiento comenzó hace unos años, cuando se encontró que las interfaces entre dos materiales cristalinos pueden exhibir un comportamiento superconductivo que ninguno de ellos muestra por sí solo». Añade que «es solo cuando los dos materiales están juntos que ocurre la ‘magia’ de la superconductividad en la interfaz, que es diferente del comportamiento en bloque».
El equipo se propuso encontrar evidencia directa de cómo un tipo específico de vibración en el cristal, conocido como fonón TO1, desencadena esta superconductividad interfacial. Sin embargo, enfrentaron dos grandes desafíos: estudiar una interfaz enterrada en una muestra y trabajar con radiación terahertz, que opera en un rango de frecuencia mil veces superior a las redes de telefonía móvil 5G.
Utilizando su método SSTS, los investigadores analizaron muestras con una delgada película magnética depositada en un cristal de óxido. Este enfoque permitió detectar el fonón TO1 y demostrar que su comportamiento a 5 nanómetros de la interfaz es diferente al del material en bloque. «Los fonones superficiales son como ondas en la parte poco profunda de un lago: se comportan de manera distinta a las que se encuentran en aguas más profundas», explica Chu.
El director del Instituto Cuántico de Argonne, Michael Norman, destaca que «nuestra técnica sensible a la interfaz puede aplicarse a una amplia gama de materiales para investigar comportamientos cuánticos elusivos, incluyendo el magnetismo y la superconductividad». Asimismo, Bhattacharya añade que «la luz terahertz interactuando con la materia no solo puede investigar materiales cuánticos de nuevas maneras, sino que también puede inducir estados de materia completamente nuevos, lo que abre un camino emocionante para futuras investigaciones».
