La superconductividad magnética se refiere a la interacción entre la superconductividad y el magnetismo, donde los campos magnéticos o el ordenamiento magnético influyen en el estado superconductor. En los superconductores convencionales, el magnetismo es destructivo: incluso un campo magnético moderado destruye la superconductividad al romper los pares de Cooper. Sin embargo, en ciertos superconductores exóticos, el magnetismo y la superconductividad pueden coexistir, y las fluctuaciones magnéticas pueden incluso mediar en el mecanismo de emparejamiento. Esto es particularmente relevante en superconductores de alta temperatura, superconductores a base de hierro y sistemas de fermiones pesados, donde se cree que las correlaciones magnéticas juegan un papel clave para permitir la superconductividad a temperaturas relativamente altas.
Historia
La coexistencia de superconductividad y magnetismo se observó por primera vez en la década de 1970 en compuestos ternarios de tierras raras como ErRh₄B₄. El marco teórico para el emparejamiento mediado magnéticamente se desarrolló en la década de 1980, particularmente para superconductores de fermiones pesados, y ganó prominencia con el descubrimiento de los superconductores a base de hierro en 2008.
Cómo funciona
En los superconductores convencionales, los electrones forman pares de Cooper mediante el intercambio de fonones, y los campos magnéticos alinean los espines de los electrones, rompiendo estos pares. En los superconductores no convencionales, el emparejamiento puede estar mediado por fluctuaciones de espín — excitaciones magnéticas que pueden unir electrones en un estado de singlete o triplete de espín. El ordenamiento magnético también puede crear un estado superconductor modulado espacialmente, como la fase Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov (FFLO), donde los pares de Cooper llevan un momento no nulo. Además, en heteroestructuras, las capas magnéticas pueden inducir superconductividad en materiales adyacentes no superconductores mediante el efecto de proximidad, o controlar la fase superconductora a través del acoplamiento espín-órbita.
En la práctica
Comprender la superconductividad magnética es clave para diseñar materiales con temperaturas críticas más altas, lo que podría permitir la transmisión de energía sin pérdidas, máquinas de resonancia magnética más eficientes y componentes de computación cuántica que requieran condiciones de enfriamiento menos extremas.
Dato curioso
En algunos superconductores a base de hierro, la temperatura de transición superconductora en realidad aumenta cuando se aplica un campo magnético, un fenómeno opuesto al comportamiento convencional y una firma directa de los mecanismos de emparejamiento magnético.
Dos bailarines en un mismo escenario: uno tira de su pareja hacia un lado, el otro hacia el opuesto. En el cristal Cu2(OH)3Br, conocido como botallackita, los átomos de cobre se disponen en cadenas donde los espines (momentos magnéticos) de iones vecinos se alinean ya sea en paralelo, como en un ferromagneto, o en antiparalelo, como en un…
Un superconductor se parece a una orquesta que toca sin una sola nota falsa, hasta que el director gira la perilla de afinación. En este nuevo trabajo, esa perilla resultó ser la historia magnética de los contactos de níquel.
Un superconductor expulsa el campo magnético como una esponja exprime el agua. Este efecto Meissner se conoce desde hace casi un siglo, pero normalmente se calcula en un mundo plano, sin gravedad. En el campo intenso de un agujero negro o a velocidades enormes, el panorama cambia.
Una fina película de un cristal especial, como el disulfuro de molibdeno, reposa sobre la platina del microscopio. La temperatura es ligeramente superior a aquella en la que el material se vuelve superconductor.
Un enjambre de luciérnagas apenas choca entre sí, pero cambia de color sincronizadamente intercambiando señales. Así se comportan los neutrinos en los densos flujos de estrellas en colapso: se transforman colectivamente de un tipo a otro, aunque individualmente interactúan muy débilmente.
Un superconductor se parece a una ronda perfecta de electrones: se mueven en parejas sin perder energía, como bailarines que nunca pierden el ritmo. Pero basta con añadir algunas impurezas magnéticas, y en la ronda se cuelan intrusos que perturban el movimiento sincronizado. La temperatura a la que comienza este baile desciende.
La pista de baile está llena de parejas que giran en un vals. Normalmente, los compañeros se mueven en direcciones opuestas: uno da un paso hacia adelante, el otro hacia atrás, para mantener el ritmo común.
Las mediciones magnéticas ordinarias solo ven la superficie del superconductor, donde interfieren barreras y flujos viscosos del campo magnético. En el interior, en el llamado estado intermedio, coexisten dominios superconductores y normales separados por paredes delgadas. Estas paredes pueden oscilar, pero era difícil escucharlas directamente.
Dos orillas superconductoras están unidas por un puente de material magnético. Dentro del puente hay una pared de dominio: un límite estrecho donde la magnetización se invierte, como una fila de soldados que cambia la dirección del paso.
En un diminuto punto magnético, de menos de una micra, habita un vórtice: la magnetización se arremolina como el agua en un remolino. En el centro de ese remolino está el núcleo, que a su vez gira en una pequeña órbita, como una peonza a la que han dado un impulso.
Un electrón en un campo magnético es como una diminuta peonza que gira y emite un débil 'chirrido' a su frecuencia. Escuchar ese chirrido directamente es casi imposible: se pierde en el ruido. Los científicos han ideado un resonador: una tira superconductora de microondas que funciona como un diapasón afinado a la misma nota.
Un diminuto superconductor, levitando sobre un imán, es como un corcho en la superficie de un océano invisible. El más leve soplo de materia oscura lo hace temblar. Los científicos analizaron dos tipos de ese «viento».
En un cristal de europio, zinc y fósforo, la corriente se comporta como un coche en un camino lleno de baches. Los electrones no corren libremente, sino que arrastran nubes magnéticas, los polarones. A temperatura ambiente, estas nubes están dispersas, pero al enfriarse se fusionan en una masa continua, lo que hace que la corriente se ralentice bruscamente.
Un superconductor normal expulsa el campo magnético, pero este anillo, al contrario, lo crea en su interior. El anillo está hecho del material Fe(Te,Se), un compuesto de hierro, telurio y selenio que pierde su resistencia eléctrica a temperaturas muy bajas.
Una película semiconductora de un átomo de espesor es como una membrana finamente tensada. La luz la hace brillar: se generan puntos luminosos (excitones) que se apagan rápidamente. Donde la membrana está rasgada o arrugada, el brillo tiembla y se interrumpe, como una cuerda con un nudo que suena desafinada.
Un superconductor ordinario pierde resistencia al enfriarse, y la corriente fluye sin pérdidas. Pero en películas ultrafinas es diferente: el material oscila entre el estado normal y el superconductor, y en ese intervalo surgen extrañas ondas de resistencia. La resistencia sube y baja, como si alguien girara la perilla del volumen.
El cristal CeRh₂As₂ se comporta como un interruptor: enfríalo y se vuelve superconductor, luego acércale un imán y salta a otro estado superconductor. Este comportamiento es raro: la mayoría de los superconductores tienen un solo estado, pero aquí hay dos, separados por una frontera abrupta.
Un nanocable se parece a un cable diminuto: por dentro tiene un núcleo magnético y por fuera una capa de aluminio que puede conducir corriente sin resistencia. Pero no es fácil que convivan: un campo magnético fuerte destruye la superconductividad, como el ruido ahoga una melodía suave.
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.
El cristal de RbMn6Bi5 se asemeja a un edificio de cinco plantas de átomos de manganeso, donde los inquilinos de cada piso forman un pentágono. A temperatura ambiente, los momentos magnéticos de los átomos oscilan caóticamente, como las agujas de brújulas durante una tormenta magnética.
En un superconductor ordinario, los electrones se unen en pares que permanecen quietos: su impulso total es cero. Pero puede ser diferente: los pares adquieren un impulso común y comienzan a moverse, como un banco de peces nadando contra la corriente. Este estado se llama onda de pares y es muy caprichoso: se necesitan condiciones especiales.
En el cristal La₂₋ₓSrₓCuO₄, con una cierta composición, coexisten dos estados: la superconductividad, en la que los electrones se mueven sin pérdidas, y la onda de carga, una acumulación periódica de la densidad electrónica. Estos estados compiten por las mismas nubes electrónicas, que tienen forma de pétalos en cruz.
Un campo magnético de 8 teslas es 200 veces más fuerte que el campo terrestre. Con ese campo, la superconductividad en una película delgada de ditelururo de paladio no solo sobrevive, sino que se mantiene hasta una temperatura de 20 milikelvin, cien veces más fría que el…
