Cuerdas cósmicas en un nanocompuesto: cómo ver el eco del Big Bang ✛

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Después del Big Bang, según la cosmología inflacionaria, el Universo experimentó una rápida expansión y una serie de transiciones de fase. En ese período, según los teóricos, podrían haberse congelado defectos topológicos en el tejido del espacio-tiempo: cuerdas cósmicas, paredes de dominio, monopolos. Su búsqueda lleva décadas, pero aún no hay pruebas directas. Sin embargo, es asombroso que la física nos permita asomarnos a ese 'momento de la creación' en la mesa del laboratorio. Cuando una sustancia sufre una transición de fase con ruptura de simetría —por ejemplo, al convertirse en superconductor o en condensado de Bose-Einstein— aparecen espontáneamente defectos similares. La única diferencia es la escala: en lugar de años luz, manejamos micrómetros. Precisamente esa transición fue estudiada por un equipo de físicos que utilizó un nanocompuesto basado en MgB₂, un superconductor cuyo mecanismo de emparejamiento, bien conocido, fue descubierto por John Bardeen y sus colegas en el marco de la teoría BCS.

La clave del experimento es el régimen de enfriamiento. Normalmente, para borrar las huellas del desequilibrio y ver los defectos 'congelados' según el mecanismo de Kibble–Zurek, se necesita un brusco descenso de temperatura (quench). Aquí, sin embargo, los vórtices se observaron con un enfriamiento muy suave, de aproximadamente 0.2 K/s. La razón está en la morfología inusual del compuesto: los granos superconductores de MgB₂, que ocupan alrededor del 30% del volumen, están rodeados por una matriz dieléctrica de MgO que se vuelve conductora debido a las vacantes de oxígeno. Los granos están conectados entre sí por uniones Josephson, de modo que a nivel macroscópico surge coherencia de fase, aunque antes de que esta se establezca, cada dominio ya posee una fase aleatoria de su parámetro de orden. Al unir estas 'islas' en una red, la fase no llega a igualarse por completo, lo que genera lazos de vórtices con una enorme profundidad de penetración del campo, de hasta 10 µm. La microscopía SQUID de barrido interferométrica, que funciona como un sensor ultrasensible para mediciones cuánticas del flujo magnético, permitió ver estas estructuras directamente por primera vez. Las simulaciones numéricas de las distribuciones de corriente confirmaron que los vórtices replican literalmente la sinuosa geometría fractal de los canales abiertos por la supercorriente entre los granos.

Este trabajo no es solo una imagen bonita, sino un avance en la comprensión de las transiciones de fase en medios desordenados. Convierte un trozo de nanocompuesto superconductor en un simulador programable del Universo primitivo: cambiando la velocidad de enfriamiento o la morfología de los granos, se puede investigar cómo nacen y evolucionan los defectos topológicos en condiciones muy lejanas a la homogeneidad ideal. La perspectiva más inmediata es usar un SQUID en la punta con resolución nanométrica para observar el vórtice espontáneo en sus más mínimos detalles y extraer directamente la longitud de correlación de fase. Esto permitirá no solo verificar las predicciones de la teoría de Kibble–Zurek en un nuevo límite 'lento', sino también, quizás, hallar enfoques para controlar las propiedades superconductoras mediante la creación controlada de estructuras de vórtices. En última instancia, nos acercamos a leer las primeras huellas de la ruptura de simetría, ecos magnéticos congelados de la época inflacionaria, conservados en un trozo de cerámica a la temperatura del helio líquido.