El simulador cuántico permite la primera observación microscópica del emparejamiento de portadores de carga

Usando un simulador cuántico, los investigadores del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica (MPQ) han observado pares de portadores de carga que pueden ser responsables del transporte de corriente eléctrica sin resistencia en superconductores de alta temperatura. Hasta ahora, los mecanismos físicos exactos en estos materiales complejos aún se desconocen en gran medida.

Las teorías suponen que la causa de la formación del par y, por tanto, del fenómeno de la superconductividad radica en la fuerzas magnéticas. El equipo de Garching pudo demostrar parejas formadas de esta manera por primera vez. Su experimento se basó en una disposición en forma de red de átomos fríos, así como en una complicada supresión del movimiento de los portadores de carga libres. Los investigadores publican sus resultados en la revista Naturaleza.

Desde el descubrimiento de los superconductores de alta temperatura hace casi 40 años, los científicos han estado tratando de rastrear sus mecanismos físicos cuánticos fundamentales. Más o materiales complejos siguen representando misterios. Los nuevos hallazgos de un equipo del Departamento de Sistemas Cuánticos de Muchos Cuerpos de MPQ en Garching ahora brindan una nueva visión microscópica de los procesos que pueden estar detrás de estos llamados superconductores no convencionales.

Crucial para cualquier tipo de superconductividad es la formación de pares de portadores de carga estrechamente unidos: electrones u huecos, como se denominan huecos de electrones. «La razón de eso es mecánica cuántica«, explica la física de MPQ Sarah Hirthe. Cada electrón o hueco lleva un espín medio entero, una cantidad física cuántica que se puede considerar como una medida del espín interno de una partícula. Los átomos también tienen un espín. Sin embargo, por razones de estadística cuántica, solo las partículas con un espín entero pueden moverse a través de una red cristalina sin resistencia bajo ciertas condiciones.»Así que los electrones o los huecos tienen que emparejarse para hacer eso», dice Hirthe.

En los superconductores convencionales, las vibraciones reticulares llamadas fonones ayudan al emparejamiento. En los superconductores no convencionales, por otro lado, funciona un mecanismo diferente, pero la pregunta de cuál es ha permanecido sin respuesta hasta ahora. «En una teoría ampliamente aceptada, las fuerzas magnéticas indirectas juegan un papel crucial», informa Sarah Hirthe. «Pero esto no se pudo confirmar en los experimentos hasta ahora».

Modelo de estado sólido con agujeros

Para comprender mejor los procesos en estos materiales, los investigadores utilizaron un simulador cuántico: una especie de computadora cuántica que recrea sistemas físicos. Para ello, organizaron átomos ultrafríos en el vacío con luz láser para simular electrones en un modelo de estado sólido simplificado. En el proceso, los giros de los átomos se organizaron en direcciones alternas: se creó una estructura antiferromagnética, característica de muchos superconductores de alta temperatura, y estabilizada por interacciones magnéticas. El equipo dopó este modelo al reducir la cantidad de átomos en el sistema. De esta manera, aparecieron agujeros en la estructura en forma de celosía.

El equipo de MPQ ahora puede demostrar que las fuerzas magnéticas en realidad conducen a pares. Para lograrlo, utilizaron un truco experimental. «Portadores de carga en movimiento en un material como superconductores de alta temperatura están sujetos a la competencia de diferentes fuerzas», explica Hirthe.

Por un lado, tienen el deseo de esparcirse, es decir, de estar en todas partes a la vez. Esto les da una ventaja energética. Por otro lado, las interacciones magnéticas garantizan una disposición regular de los estados de espín de átomos, electrones y huecos, y presumiblemente también la formación de pares de portadores de carga. Sin embargo, «las fuerzas en competencia hasta ahora nos han impedido observar estos pares microscópicamente», dice Timon Hilker, líder del grupo de investigación. «Por eso se nos ocurrió la idea de detener el movimiento perturbador de los portadores de carga en una dirección espacial».

Una mirada más cercana a través del microscopio de gas cuántico

De esta manera, las fuerzas magnéticas no se vieron perturbadas en gran medida. El resultado: los agujeros que se acercaron formaron los pares esperados. Para observar este emparejamiento, el equipo utilizó un microscopio de gas cuántico, un dispositivo con el que se pueden seguir en detalle los procesos mecánicos cuánticos. No solo se revelaron los pares de agujeros, sino que también se observó la disposición relativa de los pares, lo que sugiere fuerzas de repulsión entre ellos. El equipo informa sobre su trabajo en la revista científica Naturaleza.

“Los resultados refuerzan la idea de que la pérdida de resistencia eléctrica en los superconductores no convencionales es causada por fuerzas magnéticas”, dice el profesor Immanuel Bloch, director de MPQ y jefe de la división de sistemas cuánticos de muchos cuerpos. «Esto conduce a una mejor comprensión de estos materiales extraordinarios y muestra una nueva forma en la que se pueden formar pares de agujeros estables incluso a temperaturas muy altas, lo que podría aumentar significativamente la temperatura crítica de los superconductores».

Los investigadores del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica ahora están planeando nuevos experimentos en modelos más complejos en los que se conectan grandes conjuntos bidimensionales de átomos. Se espera que estos sistemas más grandes creen más pares de agujeros y permitan la observación de su movimiento a través de la red: el transporte de corriente eléctrica sin resistencia debido a la superconductividad.