La superconductividad es un fenómeno cuántico que permite a ciertos materiales conducir electricidad sin resistencia por debajo de una temperatura crítica. En los últimos años, físicos y científicos de materiales se han centrado en identificar materiales que exhiban esta propiedad, al tiempo que buscan comprender los procesos físicos subyacentes a este fenómeno. Este campo de estudio presenta dos categorías principales: superconductores convencionales y superconductores no convencionales. Los primeros se caracterizan por la formación de pares de electrones (pares de Cooper) a través de interacciones mediadas por fonones, resultando en un gap superconductivo que sigue una simetría isotrópica s-wave. Por otro lado, los superconductores no convencionales pueden presentar nodos, lo que produce una simetría d-wave o multi-gap.
Recientemente, investigadores de la Universidad de Tokio publicaron un estudio en Nature Communications que busca entender mejor la superconductividad no convencional observada en un compuesto intermetálico de tierras raras, llamado PrTi2Al20. Este material se conoce por su estado ordenado multipolar. Según los hallazgos, existe una conexión entre las interacciones cuadrupolares y la superconductividad en este compuesto. Mingxuan Fu, coautor del estudio, comentó que cuando los electrones se agrupan en grandes cantidades, sus diversos grados de libertad pueden interactuar de maneras intrincadas, creando un paisaje de propiedades gobernadas por la mecánica cuántica. La superconductividad no convencional es uno de los fenómenos más destacados en este contexto.
A pesar de los numerosos estudios previos, la fuerza impulsora detrás de la superconductividad no convencional sigue siendo poco comprendida. Comprender esta cuestión podría abrir nuevas posibilidades para el avance de tecnologías cuánticas. Satoru Nakatsuji, autor principal del artículo, indicó que tradicionalmente el enfoque se ha centrado en el papel de los giros electrónicos en la generación de superconductividad no convencional. Sin embargo, la investigación ha revelado que este rompecabezas es más rico y complejo de lo que se pensaba inicialmente. Otros factores, como los orbitales y la carga, también pueden desempeñar un papel vital, lo que podría abrir nuevas posibilidades para la superconductividad novedosa.
Un nuevo enfoque en superconductores
Construyendo sobre investigaciones anteriores, Fu, Nakatsuji y sus colegas se propusieron diseñar un nuevo superconductor, donde la superconductividad emergiera de algo distinto a la dinámica del giro electrónico. Su objetivo era determinar si la superconductividad también podría producirse aprovechando momentos multipolares de alto orden, sin la intervención de giros electrónicos. El nuevo superconductor examinado, PrTi2Al20, fue diseñado previamente por los investigadores. En su estado de energía más bajo, donde dominan los efectos cuánticos, están activos los momentos cuadrupolares y octopolares de alto orden, mientras que los momentos dipolares magnéticos (giros) están ausentes.
Esta característica ofrece una ventaja incomparable para investigar la superconductividad impulsada por momentos multipolares. Nakatsuji explicó que, a diferencia de los efectos impulsados por giros, que pueden ser observados con facilidad mediante sondas experimentales comunes, los fenómenos multipolares suelen ser más difíciles de detectar. En su estudio, el equipo empleó varias técnicas experimentales, desde la capacidad calorífica y la magnetización continua hasta la resistividad, explorando cómo las fases ferrocuadrupolares y superconductoras evolucionaban con la dopaje químico. Algunas de estas experimentaciones son especialmente desafiantes, ya que requieren alcanzar temperaturas extremadamente bajas (cercanas a -273 °C).
Los investigadores lograron abordar el problema desde diferentes ángulos, creando una imagen coherente de lo que impulsa la superconductividad en PrTi2Al20. Su trabajo proporciona la primera caracterización completa de la superconductividad no convencional que surge de los momentos multipolares. La conducta superconductora observada es, según Sakai, muy distinta a la superconductividad convencional explicada por la teoría Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS). Estas distinciones provienen de una nueva simetría de emparejamiento, un patrón inusual en el que los pares de electrones interactúan en los estados superconductores.
En general, los investigadores mostraron que la evolución de la superconductividad impulsada por la dopaje química es sorprendentemente diferente de la que surge de las fluctuaciones de giro. Este estudio podría abrir la puerta a futuras investigaciones centradas en este tipo específico de superconductividad, contribuyendo así al desarrollo de nuevas tecnologías cuánticas. A través de la dependencia del dopaje químico, se encontró que el orden ferrocuadrupolar y la simetría del emparejamiento superconductivo están estrechamente vinculados, ofreciendo nuevas perspectivas sobre cómo interactúan la superconductividad y el orden multipolar.
El equipo de investigación espera que, al investigar más a fondo los estados cuánticos inducidos por multipolos, puedan desarrollar un nuevo marco teórico que describa mejor estos fenómenos y su física subyacente, abriendo potencialmente un camino hacia la superconductividad a alta temperatura. La investigación sobre multipolos ha ganado relevancia en el estudio de materiales cuánticos, y los esfuerzos de este equipo podrían desempeñar un papel clave en su futura aplicación práctica.
