acoplamiento entre magnetismo y superconductividad

Un trío de jazz toca en la penumbra de un club. El pianista lleva la melodía, el contrabajista marca el ritmo y el baterista despliega redobles. Si escuchamos solo a los músicos por parejas, podemos percibir cómo el pianista se adapta al bajo o el bajo a la batería.

En una gran sala, dos diapasones están sobre soportes giratorios. Cada uno está afinado a una nota distinta, pero si los soportes se giran al ángulo adecuado, los diapasones comienzan a sonar al unísono, intercambiando vibraciones a través del aire.

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 metal de cinco átomos distintos es como una sopa en la que flotan trozos de zanahoria, guisantes, patata, cebolla y carne. Cada trocito es un elemento: cromo, vanadio, titanio, niobio y tántalo. Esta aleación se llama de alta entropía: no tiene un orden único, los átomos están mezclados casi al azar.

Dos bailarines en un mismo escenario: el triángulo y la franja. En un gas cuántico de átomos de disprosio enfriado a 62 nanokelvins, estas dos estructuras espaciales se encontraron por primera vez en un mismo experimento. El gas se mantiene en una trampa que recuerda a una tabla de surf, y sus átomos están entre los más magnéticos de la tabla periódica.

Una escalera cuyos travesaños son imanes diminutos. Si los imanes vecinos apuntan en direcciones opuestas, la escalera está «tranquila». Pero si se les obliga a apuntar en la misma dirección, toda la estructura se magnetiza y se vuelve «testaruda». Los científicos construyeron esta escalera con átomos de germanio, un semiconductor con el que se fabrican transistores.

En las capas delgadas del cristal de seleniuro de tantalio (TaSe₂) se esconde una propiedad que desafía a la física convencional. Cuando se añadieron átomos invitados entre las capas de este material, la estructura perdió su centro de simetría — y en su interior surgió una superconductividad blindada.

En los superconductores, los electrones se unen en pares y fluyen sin resistencia. Normalmente, estos pares se distribuyen de manera uniforme, como el agua en un lago tranquilo. Pero a veces surge un rizo en el material: los pares se agrupan y se dispersan con un paso determinado. Este estado se denomina superconductividad con onda de densidad de pares.

Panal lleno de "miel" electrónica. En estado normal, los electrones se mueven de forma desordenada, pero al enfriarse fuertemente pueden unirse en pares: así nace la superconductividad. La forma de estos pares, o simetría de apareamiento, determina las propiedades del material: unos bailan vals, otros foxtrot.

Dos capas de diseleniuro de wolframio —no de carbono, sino de un compuesto de wolframio y selenio— se giran una respecto a la otra un ángulo diminuto, de unos 5 grados. Surge un patrón de moiré: una red periódica aumentada donde los electrones se comportan de manera muy distinta a como lo hacen en un cristal ordinario.

La espintrónica promete transmitir información no con carga, sino con espín, liberando a la microelectrónica de su principal enemigo: el calentamiento Joule.

Una película magnética delgada se asemeja a una fila de soldaditos con pequeñas agujas magnéticas. En el mundo plano, los golpes térmicos desordenan rápidamente esa fila: el más mínimo calentamiento destruye el orden. Así funciona el teorema de Mermin-Wagner: en dos dimensiones, una simetría continua no sobrevive a temperatura finita.

Mediante espectroscopía láser — un método que puede compararse con escuchar el eco de un cristal — los físicos investigaron un material en capas. Encontraron regiones donde los electrones se mueven libremente (bolsas de Fermi) y observaron que cada una de esas regiones se comporta de manera diferente.

Una multitud de personas que pueden moverse libremente, pero que de repente empiezan a actuar como una sola unidad: así conduce un superconductor la corriente sin resistencia.

Un pastel en capas de planos atómicos de níquel y oxígeno: así están hechos los niquelatos de doble capa. En ellos, dos de estos planos están separados por una interlámina. Si en esa interlámina se encuentra un átomo de oxígeno, actúa como un puente: conecta las capas y activa un estado en el que los electrones se mueven sin resistencia.

En un trozo de imán ordinario, todos los espines electrónicos —las diminutas agujas magnéticas— apuntan en la misma dirección. Es una fila de soldados mirando al frente. Ese orden se llama altermagneto colineal.

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.

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.

El cristal del compuesto de uranio UTe2 se asemeja a un pastel de capas donde los electrones fluyen sin resistencia. Pero si se observa su superficie con un microscopio, se aprecia una ondulación, como las olas en el agua tras lanzar una piedra.

En una red cristalina que recuerda a una cesta tejida, los electrones a veces forman pares y fluyen sin resistencia. Este material, un superconductor basado en la red de kagome, se comporta como una orquesta caprichosa: basta con añadir un poco de titanio para que la batuta pase de un orden a otro.

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.

El cristal LBCO-0.125 a presión normal apenas conduce electricidad sin pérdidas. En su interior, los electrones se organizan en franjas con magnetización alternante, y estas franjas actúan como barreras: los pares superconductores se forman, pero no pueden fluir libremente por toda la muestra.

El cristal Co2SeO3Cl2 se asemeja a un pastel en capas, donde cada capa es una red de panal curvada de átomos de cobalto. Al enfriarse hasta 25,4 K (−247,75 °C), los momentos magnéticos de los átomos comienzan a alinearse en esta red, como agujas de brújula, pero no todos a la vez, sino en cuatro etapas: a 25,4, 16,8, 11 y 3 K.

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.

Un superconductor es un material que, a muy baja temperatura, conduce la electricidad sin pérdidas: los electrones se mueven sin chocar entre sí, como una multitud que camina por un pasillo perfectamente liso.

Un superconductor ordinario se parece a una fila de soldados marchando en parejas: los electrones se unen y sus espines (peonzas internas) apuntan en direcciones opuestas. El campo magnético voltea fácilmente esos pares, destruyendo la superconductividad. En UTe₂ todo es distinto.

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.

Los cristales laminares de cupratos se asemejan a una pila de panqueques: cada panqueque es un plano de átomos de cobre y oxígeno, y entre ellos hay capas de otros elementos. Normalmente la superconductividad se estudia en toda la pila, donde las capas se influyen mutuamente.

Un interruptor común hace clic, y la corriente fluye o no. Ahora existe un material que conmuta por sí mismo entre «conduce sin pérdidas» y «opone resistencia» bajo la acción de un imán. Ese sándwich es el que han construido los físicos: una fina película de plomo sobre un superconductor de bismuto, estroncio, calcio, cobre y oxígeno.

En el material NaAlSi, al enfriarse, los electrones forman un rizado fugaz: franjas que aparecen y desaparecen, como un patrón en el agua al soplar el viento. Estas franjas se entrelazan con la superconductividad, un estado en el que la corriente fluye sin resistencia. Normalmente, para ello los electrones se emparejan con la misma energía de enlace.

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.

En el cristal TiSe2, los electrones se comportan como agujas de brújula que de repente apuntan todas hacia un mismo lado. Esto se denomina estado nemático, por analogía con los cristales líquidos, donde las moléculas se alinean a lo largo de una dirección común, aunque el material en sí siga siendo líquido.

Haz pasar una corriente por un contacto entre un superconductor y un ferromagnético y escucharás el susurro del mundo cuántico.

Golpea un gong y el sonido se desvanecerá en capas: el zumbido grave persiste más tiempo, los sobretonos agudos desaparecen primero, dejando tras de sí el silencio. Así, un cúbit, al vivir su vida cuántica, deja no uno, sino tres ecos de su propio pasado.

Un qubit superconductor, un pequeño anillo sin resistencia, resuelve tareas más rápido de lo que usted parpadea. Pero en cuanto se corta la corriente, todo lo que ha calculado desaparece. Como un cocinero que prepara sin anotar la receta: mientras está frente a los fogones, recuerda cada paso, y una hora después, nada.