modelo de Hubbard

A bajas temperaturas, muchos materiales se vuelven superconductores: la corriente fluye sin resistencia. Pero, ¿cómo ocurre exactamente si los electrones estaban primero atrapados en un aislante? Hace medio siglo, Philip Anderson sugirió que la respuesta reside en una danza cuántica especial de las partículas.

La pista de baile está llena de gente: cada uno se mueve por su cuenta, nadie se toma de las manos. De repente, la música se vuelve más fuerte y rítmica: los vecinos empiezan a agarrarse unos a otros, formando parejas que giran sincronizadas.

Una orquesta donde cada músico toca su parte y el director intenta captar la melodía general. Así es como los físicos observan los electrones en los cupratos, materiales cerámicos que conducen la corriente sin resistencia a temperaturas superiores a las del nitrógeno líquido.

Un trozo de magnetita, esa piedra de hierro tan común, se comporta de manera extraña. A temperatura ambiente conduce la electricidad, pero si se enfría por debajo de menos 150 grados, la resistencia salta de golpe. Este salto, descubierto en 1939, dejó perplejos a los físicos durante casi un siglo. El nuevo trabajo propone la solución.

Un autobús abarrotado donde cada pasajero es un electrón. En un superconductor, los pasajeros se emparejan y se mueven al unísono, sin pérdidas de energía. Pero en los superconductores de alta temperatura, como los cupratos, esta idílica situación solo funciona si se suben pasajeros extra. Si, en cambio, se baja a alguien, las parejas empiezan a comportarse de manera extraña.

La superconductividad es cuando la corriente eléctrica fluye sin pérdidas, como el agua por una tubería perfectamente lisa. Normalmente aparece a temperaturas muy bajas, pero hay materiales donde surge a temperaturas más altas.

Un halcón planea sobre el campo y sus alas dibujan una danza compleja. Cada aleteo, cada inclinación no es casualidad, sino una combinación de movimientos simples que pueden descomponerse en partes. El comportamiento colectivo del ave en el aire parece intuitivo, pero detrás hay una mecánica rigurosa.

En el grafeno bicapa retorcido, los electrones se comportan como personas en un autobús abarrotado: cada uno ocupa su lugar y estorba a los vecinos. La fuerza de esta "falta de voluntad para compartir el espacio" se llama parámetro de Hubbard U. De ella depende si el material será conductor o aislante, pero medir U directamente es muy difícil.

La teoría clásica de la superconductividad teoría de la superconductividad, creada por John Bardeen y sus colegas, no explica por qué excelentes conductores como el oro y el cobre nunca pasan al estado superconductor.

Golpea el fondo de una lata de conservas: se hundirá hacia adentro y se quedará así. Vuelve a presionar: se abombará hacia afuera. Esto es bistabilidad: un sistema con dos estados estables, como un interruptor de luz. Un arco elástico es el ejemplo más simple de este tipo de sistema.

Los electrones en un conductor normalmente se comportan como un gas: se mueven caóticamente, chocan entre sí y no mantienen ningún orden. Pero si se los separa lo suficiente y se enfrían mucho, la repulsión mutua puede hacer que se coloquen en sus puestos, como los asistentes a un teatro lleno que se sientan dejando un asiento vacío entre ellos.

Cables comunes: los electrones se empujan, pierden energía, se calientan — eso es resistencia. En los superconductores, parte de los electrones se sincronizan en pares, como bailarines que giran sin chocar. Pero los pares se esconden: no se pueden ver directamente, solo adivinar por su impecable coordinación.