brecha superconductora

Dos electrones que salen de la punta de una aguja metálica casi al mismo tiempo comienzan a repelerse, como dos personas que intentan pasar a la vez por una puerta estrecha. Cuanto más cerca están el uno del otro, más se estorban.

Una pista de baile vacía, donde de vez en cuando aparece alguien. Cada uno se mueve por su cuenta, de forma caótica, sin conexión con los demás. Pero basta con poner cierta música y enfriar un poco la sala, para que los bailarines empiecen a alinearse en largas cadenas y se muevan al unísono. Así más o menos se comportan los electrones en un gas tridimensional diluido.

Un diminuto sándwich de óxidos, cultivado capa a capa, se vuelve perfectamente conductor a unos 200 grados bajo cero. No es un truco, sino un nuevo capítulo en la búsqueda de superconductores de alta temperatura.

La corriente sin pérdidas es el sueño de la energía. Algunos materiales se vuelven superconductores, pero normalmente solo a un frío extremo. Recientemente, en la familia de los niquelatos, compuestos a base de níquel, se han encontrado candidatos que funcionan a temperaturas más altas.

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.

La superconductividad a menudo se representa como una danza congelada de electrones: se unen en pares y se mueven sin resistencia, como patinadores sobre hielo perfecto. Pero en los superconductores de alta temperatura, ese hielo resulta no ser tan liso.

Desde hace casi cuarenta años, la superconductividad de alta temperatura en los cupratos sigue siendo uno de los enigmas más profundos de la física de la materia condensada.

Las estrellas de neutrones son retortas alquímicas cósmicas: a densidades superiores a las nucleares, los hadrones se funden en un plasma de quarks-gluones (QGP), y en el mismo corazón, donde la presión alcanza su pico, nace un superconductor de color (CSC).

El mundo cuántico está lleno de sorpresas. En el oscilador Kerr paramétrico —un dispositivo donde la luz queda atrapada en un anillo y es excitada por un campo externo—, recientemente se observó algo extraño: los pares de niveles de energía se funden en un abrazo. Los físicos lo han llamado 'beso espectral' espectroscopía.

El universo es como un pastel de varias capas, donde la nuestra — estrellas, planetas y personas — es solo una de muchas. En la capa vecina, que los físicos llaman sector oculto, bullen sus propios procesos. Este trabajo trata sobre uno de esos procesos: una transición de fase de primer orden, cuando la materia cambia bruscamente de estado, como el agua que se convierte en hielo.

En algunos materiales, la corriente eléctrica puede fluir sin la menor pérdida: esto es la superconductividad. Pero antes de convertirse en superconductor, la materia suele pasar por un estado extraño: los electrones ya se sienten entre sí y forman pares, pero aún no pueden moverse en conjunto.

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.

Dentro del cristal EuRbFe4As4, las capas de hierro y arsénico se alternan con capas intermedias de europio y rubidio. Al enfriarse por debajo de 15 kelvin (–258 °C), los átomos de europio alinean sus momentos magnéticos en una espiral: cada capa siguiente está girada 90 grados, como los escalones de una escalera de caracol.

Muchos agujeros negros están rodeados de campos magnéticos. Al girar, el agujero arrastra consigo el espacio-tiempo curvado, como un volante de inercia de una máquina, y pone en marcha una fábrica cósmica.

En el cristal de nitruro de boro, la red atómica perfecta a veces se rompe: en algún lugar falta un átomo, en otro lo reemplaza uno extraño. Bajo un potente microscopio, estas diminutas imperfecciones se ven como trampas para electrones: capturan partículas y comienzan a brillar, y además responden a un campo magnético.

Un estadio abarrotado: los aficionados se mueven caóticamente, creando aglomeraciones y resistencia. Así se comportan los electrones en un conductor ordinario. En la superconductividad, se emparejan y se mueven en sincronía, como espectadores que se toman de la mano y abandonan las gradas con calma, sin pérdida de energía.

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.

En un superconductor, los electrones se agrupan en pares, como bailarines que se toman de las manos. Normalmente, la distancia entre ellos —el tamaño del par— depende de la rapidez con la que se mueven y de la fuerza de su unión. Pero a veces la pista de baile casi desaparece y no hay lugar para moverse.

Una fila de personas que se dan la mano pero miran en direcciones opuestas: unas hacia el norte, otras hacia el sur. Así es un imán de onda p. En él, los electrones alinean sus momentos magnéticos (espines) no al azar, sino siguiendo un estricto patrón ondulatorio.

En el mundo de los superconductores, a los electrones no les gusta la soledad. Normalmente se unen en pares, los pares de Cooper, y se mueven sin resistencia, como patinadores que se toman de las manos. Pero se les puede hacer bailar de a cuatro.

Un cristal de cobre se comprime en un yunque de diamante. La presión aumenta y en el interior del material se desarrolla una lucha entre dos estados: uno prepara a los electrones para la superconductividad, el otro, por el contrario, les impide unirse. Los científicos siguieron esta lucha con destellos láser ultracortos.

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.

En una olla con agua hirviendo, las burbujas de vapor nacen y revientan, pero el agua sigue siendo líquida. Algo similar ocurre en un gas atómico ultrafrío: los átomos forman pares constantemente y vuelven a separarse, aunque la superfluidez aún no ha llegado.

Los electrones en un cristal a veces se comportan como una multitud en un estadio creando una «ola»: las zonas de mayor densidad se alternan con otras casi vacías. Esta ola bloquea el movimiento libre de las cargas: en condiciones normales, el material no es superconductor. Pero al aplicar presión, la ola desaparece y los electrones empiezan a moverse sin pérdidas.

En una cadena de trampas, como en una hilera de fortalezas costeras, se posan los átomos. A su lado, un mar cuántico: el condensado de Bose-Einstein (una sustancia sin resistencia, donde las partículas se mueven como una sola onda).

Un metal es un mar de electrones que se mueven casi libremente y chocan solo de vez en cuando. Pero en algunos materiales, ese mar se vuelve de repente viscoso e impredecible: los electrones dejan de comportarse como partículas independientes. Los físicos llaman a este estado 'no fermi-líquido', y sigue siendo un misterio.

Un cúbit superconductor común se parece a un columpio que cualquier ráfaga de viento hace oscilar. El más mínimo cambio en la carga eléctrica cercana y el estado cuántico ya está arruinado.

Un cristal de uranio del tamaño de un grano de arroz se enfrió hasta una quincuagésima parte de un grado por encima del cero absoluto. A esa temperatura, el calor no se transporta de forma caótica, sino siguiendo estrictamente las reglas del mundo cuántico.

En la red cristalina del seleniuro de hierro, los átomos de hierro y selenio se alternan como ladrillos en un muro. Pero a veces, en los huecos entre ellos se cuelan átomos de hierro extra, como invitados no deseados que se meten en las grietas entre los ladrillos.

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 superconductor normal solo funciona en el congelador de la naturaleza: a temperaturas por debajo de los cien grados bajo cero. El material de bolas de carbono K₃C₆₀ no es una excepción: sin frío, opone resistencia a la corriente, como una multitud en un pasillo estrecho.

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.

A una temperatura de 4,3 grados por encima del cero absoluto, el cristal de telururo de paladio deja de ofrecer resistencia al paso de la corriente eléctrica. Los electrones se agrupan en pares y se mueven sin pérdidas, como una multitud que se toma de las manos. Pero este superconductor parece tener no uno, sino dos modos distintos de agruparse.

Los bailarines se toman de las manos y se mueven con una sincronización perfecta. En un aislante excitónico, los electrones y los huecos forman pares ligados que se condensan en un único estado cuántico, como parejas de baile que no pierden el paso. Pero, ¿qué ocurre si uno de ellos tropieza?

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