Vórtices electrónicos cuánticos en superconductores: descubrimiento de fenómenos circulatorios sin precedentes
Un nuevo estudio del KTH Royal Institute of Technology y la Universidad de Stanford revisa nuestra comprensión de los vórtices cuánticos en los superconductores. En la foto, representación artística de vórtices cuánticos. Crédito: Greg Stewart, Laboratorio Nacional de Aceleradores de SLAC
Los investigadores han redefinido nuestra comprensión de los vórtices cuánticos en los superconductores, demostrando que pueden contener un flujo cuántico fraccionario, a diferencia de las teorías anteriores. Este descubrimiento revolucionario, que involucra la manipulación de vórtices cuánticos, abre nuevas aplicaciones potenciales en la electrónica y la computación superconductoras.
Dentro de los superconductores, pueden ocurrir pequeños tornados de electrones, conocidos como vórtices cuánticos, que tienen implicaciones importantes en las aplicaciones de los superconductores, como los sensores cuánticos. Ahora, se ha encontrado un nuevo tipo de vórtice superconductor, informa un equipo internacional de investigadores.
Egor Babaev, profesor del Instituto Real de Tecnología KTH en Estocolmo, dice que el estudio revisa la comprensión predominante de cómo puede ocurrir el flujo electrónico en los superconductores, con base en el trabajo sobre vórtices cuánticos que fue reconocido en el Premio Nobel de 2003. KTH, junto con Investigadores de la Universidad de Stanford, el Instituto TD Lee de Shanghái y el AIST de Tsukuba descubrieron que el flujo magnético producido por los vórtices en un superconductor se puede descomponer en un rango de valores más amplio de lo que se pensaba.
Esto representa una nueva visión de los fundamentos de la superconductividad y también se puede aplicar potencialmente en la electrónica superconductora.
Un vórtice de flujo magnético ocurre cuando se aplica un campo magnético externo a un superconductor. El campo magnético penetra el superconductor en forma de tubos de flujo magnético cuantificado que forman vórtices. Babaev dice que originalmente la investigación sostenía que los vórtices cuánticos pasan a través de superconductores, cada uno de los cuales transporta un cuanto de flujo magnético. Pero las fracciones arbitrarias del flujo cuántico no eran una posibilidad contemplada en teorías previas de la superconductividad.
Usando el dispositivo de interferencia cuántica superconductora (SQUID) en la Universidad de Stanford, los coautores de Babaev, el científico investigador Yusuke Iguchi y la profesora Kathryn A. Moler, han demostrado a nivel microscópico que pueden existir vórtices cuánticos en una sola banda electrónica. El equipo pudo crear y mover estos vórtices cuánticos fraccionarios, dice Moler.
“El profesor Babaev me ha estado diciendo durante años que podríamos ver algo como esto, pero no lo creí hasta que el Dr. Iguchi realmente lo vio y realizó una serie de controles detallados”, dice.
Los investigadores de Stanford encontraron la observación inicial de este fenómeno «tan increíblemente inusual», dice Iguchi, que repitieron el experimento 75 veces en varios lugares y temperaturas.
El trabajo confirma una predicción que Babaev publicó hace 20 años, según la cual, en ciertos tipos de cristales, una parte de una población de electrones en un material superconductor puede formar un vórtice que circula en el sentido de las agujas del reloj, mientras que otros electrones pueden formar un vórtice. en el sentido de las agujas del reloj y al mismo tiempo en sentido antihorario. “Estos tornados cuánticos combinados pueden transportar una fracción arbitraria del flujo cuántico”, dice.
“Esto revisa nuestra comprensión de los vórtices cuánticos en los superconductores”, dice.
Moler afirmó esta conclusión. “He estado observando vórtices en nuevos superconductores durante más de 25 años y nunca antes había visto esto”, dice.
Babaev dice que la robustez de los vórtices cuánticos y la posibilidad de controlarlos sugiere que los vórtices cuánticos podrían usarse como portadores de información en computadoras superconductoras.
“El conocimiento que obtuvimos, los métodos espectaculares que introdujeron nuestros colegas, el Dr. Iguchi y el profesor Moler de Stanford, podrían, a largo plazo, ser potencialmente útiles para ciertas plataformas de computación cuántica”, dice Babaev.
Referencia: «Vórtices superconductores que transportan una fracción dependiente de la temperatura del cuanto de flujo» por Yusuke Iguchi, Ruby A. Shi, Kunihiro Kihou, Chul-Ho Lee, Mats Barkman, Andrea L. Benfenati, Vadim Grinenko, Egor Babaev y Kathryn A Moler, 1 de junio de 2023, Ciencia.
DOI: 10.1126/ciencia.abp9979
