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Un simulador cuántico permite la primera observación microscópica del acoplamiento del portador de carga

Vea a un equipo de investigadores de MPQ experimentar por primera vez cómo los agujeros (portadores de carga positiva) en un modelo de estado sólido se agregan para formar pares. Este proceso puede desempeñar un papel importante en la comprensión de la superconductividad a alta temperatura.

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 la fecha, los mecanismos físicos exactos de estos materiales complejos siguen siendo en gran parte desconocidos. Las teorías suponen que la razón de la formación del par y, por tanto, del fenómeno de la superconductividad radica en las fuerzas magnéticas. El equipo de Garching ahora ha podido mostrar 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 engañosa supresión del movimiento de los portadores de carga libres. Los investigadores publicaron sus hallazgos en la revista Nature.

Desde el descubrimiento de los superconductores de alta temperatura hace casi 40 años, los científicos han estado tratando de rastrear sus mecanismos de física cuántica subyacentes. Pero los materiales complejos aún plantean misterios. Los nuevos hallazgos de un equipo de la División de Sistemas Cuánticos Multicuerpo de MPQ en Garching ahora brindan una nueva visión microscópica de los procesos que pueden ser la base de los llamados superconductores no convencionales.

Crucial para cualquier tipo de superconductividad es la formación de pares de portadores de carga estrechamente unidos: electrones u huecos, ya que los electrones se denominan vacantes. “La razón de esto radica en la mecánica cuántica”, explica la física de MPQ Sarah Hirth: cada electrón o hueco tiene un giro de medio número entero, una cantidad física cuántica que se puede imaginar como una medida del giro interno de una partícula. Los átomos también tienen espín. Sin embargo, por razones de estadística cuántica, solo las partículas con giros enteros pueden moverse a través de una red cristalina sin resistencia bajo ciertas condiciones. «Entonces, los electrones o los huecos tienen que emparejarse para hacer eso», dice Hirth. En los superconductores convencionales, las vibraciones de la red llamadas fonones ayudan en el acoplamiento. Por otro lado, en los superconductores no convencionales funciona un mecanismo diferente, pero la pregunta de cuál ha permanecido hasta ahora sin respuesta. «En una teoría ampliamente aceptada, las fuerzas magnéticas indirectas juegan un papel crucial», dice Sarah Hirth. Pero esto no se puede confirmar en los experimentos todavía».

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El modelo de estado sólido está perforado con agujeros.

Para comprender mejor los procesos en dichos materiales, los investigadores utilizaron un simulador cuántico: un tipo de computadora cuántica que recrea sistemas físicos. Para hacer esto, colocaron los átomos extremadamente fríos en el vacío usando luz láser de una manera que simulaba los electrones en un modelo de estado sólido simplificado. En el proceso, los espines 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. Luego, el equipo «dopa» este modelo al reducir la cantidad de átomos en el sistema. De esta manera, aparecieron agujeros en la estructura en forma de red.

El equipo de MPQ ahora puede demostrar que las fuerzas magnéticas sí causan pares. Para lograrlo, utilizaron un truco experimental. «Los portadores de carga en movimiento en un material como un superconductor de alta temperatura están sujetos a fuerzas en competencia», explica Hirth. Por otro lado, tienen el deseo de dispersarse, es decir, de estar en todas partes al mismo tiempo. Esto les da una ventaja activa. Por otro lado, las interacciones magnéticas aseguran una disposición regular de los estados de espín de los átomos, electrones y huecos, y también se supone la formación de pares de portadores de carga. Sin embargo: «Hasta ahora, la competencia entre fuerzas nos ha impedido observar esos pares microscópicamente», dice Timon Helker, jefe del grupo de investigación. «Por eso tuvimos la idea de evitar el movimiento disruptivo de los portadores de carga en una dirección espacial».

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Una mirada más cercana a través de un microscopio cuántico de gases

De esta forma, las fuerzas magnéticas estaban, en gran medida, imperturbables. El resultado: los agujeros que se juntaron formaron los pares esperados. Para observar este acoplamiento, 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 detectaron los pares de agujeros, sino que también se observó la disposición relativa de los pares, lo que indica las fuerzas de repulsión entre ellos. El equipo informa sobre su trabajo en la revista científica Nature. «Los resultados confirman la idea de que la pérdida de resistencia eléctrica en los superconductores no convencionales es causada por fuerzas magnéticas», confirma el profesor Emmanuel Bloch, director de MPQ y jefe del Departamento de Sistemas Cuánticos Multicuerpo. «Esto conduce a una mejor comprensión de estos materiales inusuales y muestra una nueva forma de cómo se pueden formar pares de agujeros estables incluso a temperaturas muy altas, lo que puede aumentar drásticamente la temperatura crítica de los superconductores».

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