(noticias nanowerk) Los científicos cuánticos han descubierto un fenómeno poco común que podría ser la clave para crear un «interruptor perfecto» en dispositivos cuánticos que conmute entre aislante y superconductor.
Las tesis centrales
Investigación
El estudio, dirigido por la Universidad de Bristol y publicado en Ciencia (“Simetría emergente en un superconductor de baja dimensión en el borde de Mottness”) descubrió que estos dos estados electrónicos opuestos existen en el bronce violeta, un metal unidimensional único formado por cadenas de átomos conductores individuales.
Pequeños cambios en el material, provocados, por ejemplo, por un pequeño estímulo como el calor o la luz, pueden provocar una transición instantánea de un estado aislante sin conductividad a un superconductor con conductividad ilimitada y viceversa. Esta versatilidad polarizada, conocida como «simetría emergente», tiene el potencial de proporcionar un interruptor de encendido/apagado ideal para futuros desarrollos en tecnología cuántica.
El autor principal, Nigel Hussey, profesor de Física de la Universidad de Bristol, afirmó: «Es un descubrimiento realmente apasionante que podría proporcionar un cambio perfecto para los dispositivos cuánticos del mañana».
«Este notable viaje comenzó hace 13 años en mi laboratorio, cuando dos estudiantes de posgrado, Xiaofeng Xu y Nick Wakeham, midieron la magnetorresistencia (el cambio en la resistencia causado por un campo magnético) del bronce violeta».
En ausencia de un campo magnético, la resistencia del bronce violeta dependía en gran medida de la dirección en la que se aplicaba la corriente eléctrica. Su dependencia de la temperatura también era bastante complicada. A temperatura ambiente la resistencia es metálica, pero a medida que la temperatura baja esto se invierte y el material parece convertirse en un aislante. Luego, a las temperaturas más bajas, la resistencia vuelve a caer y se forma un superconductor.
A pesar de esta complejidad, la magnetorresistencia resultó sorprendentemente extremadamente simple. Era esencialmente el mismo independientemente de la dirección en la que se dirigiera la corriente o el campo, y seguía una dependencia lineal perfecta de la temperatura desde la temperatura ambiente hasta la temperatura de transición superconductora.
“Debido a que no había una explicación concluyente para este comportamiento desconcertante, los datos permanecieron inactivos e inéditos durante los siguientes siete años. Esta pausa es inusual en la investigación cuántica, aunque la razón no fue la falta de estadísticas”, explicó el profesor Hussey.
«Tal simplicidad de la respuesta magnética siempre oculta un origen complejo y resulta que su posible resolución sólo se produciría a través de un encuentro casual».
En 2017, el Prof. Hussey estaba trabajando en la Universidad de Radboud y vio un anuncio de un seminario impartido por el físico Dr. Piotr Chudzinski sobre el bronce violeta. En aquel momento, pocos investigadores dedicaron un seminario completo a este material poco conocido, por lo que se despertó su interés.
El profesor Hussey dijo: «En el seminario, Chudzinski sugirió que el aumento de la resistencia podría deberse a la interferencia entre los electrones de conducción y las esquivas partículas compuestas conocidas como ‘excitones oscuros'». Charlamos después del seminario y sugerimos realizar un experimento juntos. para probar su teoría. Nuestras mediciones posteriores esencialmente lo confirmaron”.
Inspirado por este éxito, el Prof. Hussey revivió los datos de magnetorresistencia de Xu y Wakeham y se los mostró al Dr. Chudzinski. Las dos características centrales de los datos (linealidad con la temperatura e independencia de la orientación de la corriente y el campo) fascinaron a Chudzinski, al igual que el hecho de que el material en sí pudiera exhibir un comportamiento tanto aislante como superconductor, dependiendo de cómo creciera.
Dr. Chudzinski se preguntó si la interacción entre los portadores de carga y los excitones que había introducido anteriormente podría hacer que los primeros tiendan hacia el límite entre los estados aislante y superconductor a medida que desciende la temperatura, en lugar de convertirse completamente en un aislante. En el límite mismo, la probabilidad de que el sistema sea un aislante o un superconductor es esencialmente la misma.
El profesor Hussey dijo: «Esta simetría física es un estado inusual, y el desarrollo de tal simetría en un metal a medida que cae la temperatura – de ahí el término ‘simetría emergente’ – sería una primicia mundial».
Los físicos están muy familiarizados con el fenómeno de la ruptura de la simetría: la pérdida de simetría de un sistema de electrones cuando se enfría. La compleja disposición de las moléculas de agua en un cristal de hielo es un ejemplo de esa simetría rota. Sin embargo, lo contrario es un evento extremadamente raro, si no único. Volviendo a la analogía agua/hielo, es como si, a medida que el hielo se enfría más, la complejidad de los cristales de hielo se «derretiera» nuevamente en algo tan simétrico y suave como una gota de agua.
Dr. Chudzinski, ahora investigador en la Queen’s University de Belfast, dijo: «Imagínese un truco de magia en el que una figura aburrida y distorsionada se transforma en una esfera hermosa y perfectamente simétrica. Ésta, en resumen, es la esencia de la simetría emergente. La figura en cuestión es nuestro material, el bronce púrpura, mientras que nuestro mago es la naturaleza misma”.
Para probar más a fondo si la teoría es válida, otro estudiante graduado, Maarten Berben, que trabaja en la Universidad de Radboud, examinó otros 100 cristales individuales, algunos aislantes y otros superconductores.
El profesor Hussey añadió: “Después de los esfuerzos hercúleos de Maarten, la historia quedó completa y quedó clara la razón por la que diferentes cristales tenían estados fundamentales tan diferentes. De cara al futuro, tal vez sea posible explotar esta “fuerza de tensión” para crear interruptores en circuitos cuánticos donde pequeños estímulos producen cambios profundos de órdenes de magnitud en la resistencia del interruptor”.
