Las heteroestructuras de van der Waals retorcidas se han convertido en un campo de pruebas para crear fases cuánticas exóticas. Entre ellas ocupa un lugar especial el cuprato retorcido BSCCO: la teoría predice que a un ángulo de 45° se convierte en un superconductor topológico con modos de borde quirales. Sin embargo, hasta ahora esos modos no se habían podido observar directamente, y la magnitud de la brecha topológica seguía siendo desconocida. El trabajo se inscribe en la línea de investigación sobre superconductividad retorcida y topología en moirés, junto a los estudios sobre grafeno retorcido y otros sistemas laminares, pero aplica por primera vez el sondeo cuántico a heteroestructuras de cupratos.
Los autores fabricaron dispositivos de BSCCO retorcido mediante transferencia criogénica sin disolventes. Para observar los modos de borde utilizaron un único centro NV implantado en una estructura nanopilar de diamante. El centro NV funciona como sensor cuántico de campo magnético: su relajación de espín se acelera bajo el efecto del ruido magnético de las cuasipartículas en los canales de borde. Escaneando el centro NV sobre la muestra a una distancia de ~60 nm, midieron la velocidad de relajación Γ en función de la posición y la temperatura. Para estudiar la topología inducida por el campo aplicaron gradienteometría con el fin de reconstruir la densidad de corriente.
En el BSCCO retorcido a 45° y a 50 K se detectaron dos picos de la velocidad de relajación Γ justo en los bordes físicos del dispositivo, lo que constituye una prueba directa de los modos de borde quirales. La dependencia de Γ con la distancia al borde es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia, en consonancia con la teoría. A partir de la dependencia de Γ con la temperatura se estimó una brecha topológica Δ ≈ 4 meV a 0 K. La transición topológica ocurre a una temperatura T̃_c que depende del ángulo de retorcimiento: para 45° coincide con T_c ≈ 86 K, para 43° es de 70 K, para 40° es de 30 K, y con ángulos de 37° y 24° los modos de borde están ausentes. La aplicación de un campo magnético longitudinal de 20 Gs produce un patrón periódico de dominios alternantes con quiralidad opuesta, lo que apunta a la formación de una red de vórtices de Josephson.
El trabajo demuestra por primera vez la observación directa de modos de borde topológicos en un cuprato retorcido, lo que lo distingue de investigaciones anteriores basadas en medidas de transporte o en modelos teóricos. El método de sondeo cuántico permite cuantificar la brecha topológica y su dependencia del ángulo de retorcimiento, abriendo el camino al estudio sistemático de la topología en superconductores retorcidos. Es un paso importante hacia la realización de la superconductividad topológica de alta temperatura para la computación cuántica.
El tema puede desarrollarse hacia un estudio más detallado de los modos de borde: su estructura espacial, su textura de espín y su dinámica. Es posible investigar la influencia del desorden, del grosor de las capas y de otros ángulos de retorcimiento. Resulta prometedor aplicar el sondeo cuántico a otros sistemas retorcidos, como el grafeno bicapa retorcido o los dicalcogenuros de metales de transición.
Los resultados influirán en la física de la materia condensada, las tecnologías cuánticas y la ciencia de materiales. El método de magnetometría cuántica de barrido encontrará aplicación en el estudio de una amplia clase de materiales de moiré.
Los siguientes pasos incluyen medir las corrientes de borde con mayor resolución espacial, estudiar la influencia del campo magnético y la temperatura sobre los dominios quirales, así como intentar detectar modos de Majorana en sistemas similares.
El trabajo se relaciona directamente con el problema de la superconductividad topológica de alta temperatura y con la búsqueda de fermiones de Majorana para la computación cuántica tolerante a fallos. También arroja luz sobre los mecanismos de emparejamiento en los cupratos y sobre el papel de la simetría del parámetro de orden.
El centro NV en diamante es un defecto del tamaño de un átomo, capaz de percibir el campo magnético de un solo espín electrónico a distancias de decenas de nanómetros. En este trabajo actuó como una «oreja cuántica» que capta el ruido de las cuasipartículas que corren por el borde del superconductor.
La idea de estados de borde topológicamente protegidos resuena con el concepto de «muros aislantes» de la ciencia ficción, por ejemplo con los campos protectores de la novela «Ciudad permutación», de Greg Egan, donde la información se almacena en defectos topológicos del espacio-tiempo.