Científicos capturan un enigmático "baile" cuántico dentro de superconductores

Por primera vez, investigadores visualizaron directamente el comportamiento cuántico que impulsa la superconductividad, un estado en el que electrones emparejados permiten que la electricidad fluya sin resistencia a temperaturas muy bajas.

Sin embargo, lo que observaron resultó ser sorprendente.

En un estudio publicado el 15 de abril en Physical Review Letters, el equipo capturó imágenes de átomos individuales formando pares dentro de un gas especialmente preparado, enfriado a casi cero absoluto, el límite inalcanzable de temperatura. Este sistema, conocido como gas de Fermi, permite a los científicos reemplazar electrones por átomos para estudiar la superconductividad en un entorno altamente controlado.

Un "baile" cuántico inesperado entre partículas emparejadas

Una vez que los átomos se emparejaron, los investigadores observaron algo inusual. Los pares no se comportaron de forma independiente. En cambio, se movieron de manera coordinada, con la posición de cada par influenciada por pares cercanos, un comportamiento que no se había previsto en la teoría de superconductividad de 70 años, galardonada con el Premio Nobel.

"Nuestro experimento demostró que falta algo cualitativamente en esta teoría", comentó el líder de la investigación experimental, Tarik Yefsah, del Laboratoire Kastler Brossel en el Centro Nacional de Investigación Científica (CNRS) de París. Yefsah y otros físicos experimentales del CNRS colaboraron en el nuevo estudio con físicos teóricos, incluyendo a Shiwei Zhang del Flatiron Institute de la Simons Foundation.

Este descubrimiento añade una pieza importante al rompecabezas de cómo funciona la superconductividad y puede ayudar a guiar los esfuerzos para crear superconductores a temperatura ambiente, un objetivo buscado que podría mejorar drásticamente la eficiencia energética en redes eléctricas y electrónica.

Qué es la superconductividad y por qué es importante

La superconductividad típicamente aparece en ciertos metales cuando se enfrían a temperaturas extremadamente bajas, mucho más frías que cualquier cosa encontrada naturalmente en la Tierra. Una vez que estos materiales caen por debajo de una temperatura crítica, su resistencia eléctrica desaparece de repente. Esto ocurre porque los electrones forman pares que se mueven juntos, a menudo comparados con bailarines que se mueven al unísono en una pista de baile.

Este fenómeno fue explicado por primera vez en la década de 1950 por los físicos John Bardeen, Leon Cooper y John Robert Schrieffer.

Limitaciones de la teoría clásica BCS

Sin embargo, la teoría BCS, nombrada así por sus creadores, proporciona solo una descripción aproximada. No puede explicar completamente todos los tipos de superconductores ni capturar todos los aspectos del comportamiento involucrado. Los científicos han sospechado durante mucho tiempo que la teoría deja de lado detalles clave, pero esos vacíos han permanecido poco claros.

"La teoría BCS nos dice que la superconductividad surge porque los electrones tienden a emparejarse", explicó Zhang, científico investigador senior y líder de grupo en el Center for Computational Quantum Physics (CCQ) del Flatiron Institute. "Pero es una teoría burda, y no nos dice nada sobre cómo interactúan los pares". Según la teoría BCS, estos pares actúan de manera independiente, lo que significa que sus posiciones no deberían depender entre sí.

Un nuevo método de imagen revela pares interactuantes

Para investigar esta pieza faltante, físicos experimentales del CNRS trabajaron en estrecha colaboración con teóricos del CCQ para estudiar cómo estos pares podrían influenciarse mutuamente.

Utilizando una técnica de imagenación recientemente desarrollada, el equipo capturó instantáneas detalladas de las posiciones de los átomos emparejados. Trabajaron con un gas de átomos de litio enfriados a solo unos pocos miles de millones de grados Celsius sobre el cero absoluto. A tales temperaturas extremas, los átomos se comportan como fermiones, la misma categoría de partículas que los electrones, lo que los convierte en sustitutos ideales para estudiar la superconductividad.

Las imágenes mostraron que los átomos emparejados no estaban distribuidos aleatoriamente. En cambio, sus posiciones estaban vinculadas, con cada par manteniendo una cierta distancia de los demás, similar a las parejas en una pista de baile evitando colisiones. Este comportamiento revela una capa adicional de organización que no está incluida en el marco tradicional de BCS.

Una nueva visión dentro del "salón de baile" cuántico

"La teoría BCS nos da una vista desde fuera del salón de baile, donde podemos escuchar la música y ver a los bailarines salir, pero no sabemos qué está sucediendo en el salón", dijo Yefsah. "Nuestro enfoque es como llevar una cámara de gran angular dentro del salón de baile. Ahora podemos ver cómo los bailarines se emparejan y prestan atención unos a otros, para que no se choquen entre sí".

Para verificar los hallazgos, Zhang y su ex investigador postdoctoral en el CCQ, Yuan-Yao He del Institute of Modern Physics en la Universidad del Noroeste en China, realizaron simulaciones cuánticas detalladas del mismo sistema. Las simulaciones coincidieron con los datos experimentales y confirmaron el comportamiento recién observado, incluida la separación entre los "bailarines" emparejados.

Implicaciones para futuros superconductores

Estos resultados profundizan la comprensión de los científicos sobre los superconductores y otros materiales cuánticos compuestos de fermiones. Perspectivas como esta son esenciales para diseñar materiales que puedan superconductar a temperaturas más altas.

En la década de 1980, los investigadores descubrieron una clase de materiales conocidos como superconductores de alta temperatura, que operan a temperaturas alrededor de la de nitrógeno líquido, aún una fría temperatura de menos 196 grados Celsius (menos 321 grados Fahrenheit). Sin embargo, los científicos aún no comprenden completamente por qué estos materiales funcionan a temperaturas relativamente más altas.

Al mejorar la comprensión fundamental de la superconductividad, los investigadores esperan desarrollar eventualmente materiales que funcionen a temperaturas cotidianas, lo que podría transformar la transmisión de energía y las tecnologías de computación.

"Al entender este caso simple, podemos ajustar nuestras herramientas para estudiar sistemas más complicados", concluyó Zhang. "Y los sistemas más complicados son donde buscamos nuevas fases de la materia, que han impulsado muchos avances tecnológicos en el pasado".

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