cúpula de superconductividad

Un superconductor es un material que conduce la corriente sin pérdidas, como el agua que fluye por una tubería perfectamente lisa. En los superconductores de cobre, las diminutas adiciones de oxígeno funcionan como un control de volumen: un poco más, y el material comienza a superconducir; un poco menos, y deja de hacerlo.

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.

El líquido de espín cuántico es un estado de la materia en el que los momentos magnéticos de los átomos se comportan como un líquido: oscilan constantemente y no se ordenan rígidamente incluso a temperaturas muy bajas. Uno de los modelos teóricos más conocidos de este líquido fue propuesto por Alexei Kitaev.

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.

El cristal estratificado La₃Ni₂O₇ bajo presión se comporta como una orquesta en la que el director cambia el volumen de los distintos grupos de instrumentos. Al comprimirlo, aumentan los saltos de electrones entre capas; parecería que esto debería reforzar la superconductividad. Pero al mismo tiempo, parte de los electrones se vuelve demasiado móvil.

Un superconductor es como un cable perfecto: la corriente fluye sin pérdidas. Claro que para lograrlo hay que enfriarlo mucho. Los físicos llevan tiempo buscando materiales que se vuelvan superconductores a temperaturas más altas. Una vía es no esperar favores de la naturaleza, sino construir el material uno mismo, capa por capa, como con un juego de construcción.

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.

El cristal de uranio-arsénico (UAs2) bajo presión se comporta como una casa con dos habitaciones. En una habitación, los electrones están quietos; en la otra, deambulan libremente. En condiciones normales, es un clásico 'Kondo de red': electrones pesados, casi inmóviles, en los orbitales 5f5/2, rodeados por un mar de electrones de conducción rápidos.

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.

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.

Una cacerola con pegamento muy espeso y caliente: así se veía aproximadamente el universo temprano. No era un pegamento cualquiera, sino una 'sopa de gluones': partículas que transmiten la interacción fuerte (gluones) que se movían libremente por el espacio.

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.

Un trozo de metal se enfría a menos doscientos grados y la corriente eléctrica empieza a fluir sin la menor fricción, como si el agua en una tubería se deslizara sin tocar las paredes. Ese comportamiento se llama superconductividad.

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.

Bajen las luces. Al escenario entra un teatro de sombras, donde solo hay r titiriteros — pero la pantalla vive según las leyes de la geometría hiperbólica. Cada movimiento de la mano crea un patrón que los matemáticos llaman grupo discreto de isometrías.

La superconductividad y el campo magnético son enemigos eternos: el campo irrumpe como un torbellino, rompiendo el delicado emparejamiento de los pares de Cooper y destruyendo el orden.

Imagina un rascacielos construido no con ladrillos individuales, sino con apartamentos tipo estudio completos. Así es exactamente como está estructurado el cristal Au₆Te₁₂Se₈: sus nodos no son átomos, sino clústeres superatómicos de oro y calcógenos que se comportan como objetos cuánticos unitarios.

Una lámina de goma se comprime por dos lados. A primera vista, es una deformación ordinaria. Pero en el interior, en la profundidad del material, se despierta un orden oculto. No son solo arrugas en la superficie. Es el nacimiento de zonas especiales donde las vibraciones quedan atrapadas, como en una trampa. Antes se pensaba que tales efectos requerían intrincadas redes y estructuras periódicas.

En un pasillo largo, una multitud intenta mantenerse alejada unos de otros. En una sala espaciosa simplemente se dispersarían, pero aquí las paredes aprietan tanto que hay que avanzar en fila india, coordinando cada paso. De manera similar se comportan los electrones en capas de grafeno giradas una respecto a la otra por un ángulo diminuto.

En una piscina, el agua suele esparcirse en círculos desde la piedra que se lanza. Pero si se dirige el flujo estrictamente a lo largo del borde, el agua corre solo por el borde. Algo parecido se ha observado en trozos del cristal superconductor FeTe0.55Se0.45.

Normalmente, la superconductividad es una historia de frío. Cuanto más baja la temperatura, más fácil que los electrones se emparejen y fluyan sin resistencia. Pero en un nuevo trabajo, los físicos cultivaron películas delgadas de niquelatos con una adición de europio y observaron el panorama inverso.

Una película delgada de óxido de itrio, bario y cobre se calienta bajo un flujo de rayos infrarrojos y, de repente, deja de disipar energía. Esto es la superconductividad: los electrones se unen en pares y se mueven como un enjambre cuántico único.

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.

Una sartén larga y estrecha hace que un panqueque fino se congele en franjas irregulares. Durante décadas, los científicos vieron un panorama similar al modelar el comportamiento de los electrones en superconductores, materiales que conducen corriente sin pérdidas.

Un sándwich donde, en lugar de pan, hay capas de óxido de cobre y entre ellas una fina capa de iones de estroncio. Eso es el cuprato de capas infinitas, la variante más simple de la cerámica superconductora, ideada hace casi 40 años.

Una banda elástica que se vuelve más gruesa cuanto más la estiras. En electricidad, este comportamiento se llama capacitancia negativa: cuanto más carga se acumula en las placas, menor es el voltaje. Un condensador normal funciona al revés: el voltaje aumenta junto con la carga.

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 puente hecho con dos filas de tablones se comba bajo los pies de los peatones, y cada paso recibe ayuda del movimiento elástico del piso. Un principio similar está en la base de la superconductividad: los electrones se deslizan sin resistencia porque la red atómica se adapta a ellos.

Un superconductor no deja que el campo magnético penetre en su interior. Pero si el campo es intenso, acaba entrando, no como un flujo continuo, sino en forma de hilos de vórtice individuales, parecidos a pequeños tornados. Dentro de cada hilo, la superconductividad queda destruida, y alrededor fluye una corriente que no se atenúa.

Una tela que se estira solo a lo largo, pero no a lo ancho. Así es aproximadamente un material semidirácico: en él, los electrones pueden moverse libremente en una dirección, mientras que en la otra apenas se desplazan. Debido a esta anisotropía inusual, en los bordes del cristal bidimensional aparecen caminos especiales: canales unidimensionales.

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.

La pista de baile está llena de gente que se mueve cada uno por su cuenta. De repente, algunos se dividen en parejas: giran sin apenas notar a los vecinos, mientras los demás se alinean en cadenas. Algo así hacen los átomos en el metal CsCr₃Sb₅, uno de los representantes de los metales kagome, cuya red cristalina recuerda a una cesta tejida.

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.

Un superconductor es un material que, al enfriarse fuertemente, pierde su resistencia eléctrica: la corriente fluye sin pérdidas. Los científicos tomaron un cristal laminar de PdTe2, parecido a una pila de hojas de papel, y lo enfriaron por debajo de 1,8 kelvin (aproximadamente -271 °C). En esas condiciones, el PdTe2 se vuelve superconductor.

Un diapasón al que se le da un golpe se apaga: sus vibraciones se escapan al aire. Pero existen sistemas donde la oscilación no se amortigua, aunque alrededor haya muchas ondas libres dispuestas a llevarse la energía. Estos estados 'atrapados' son lo que los físicos llaman estados ligados en el continuo (BIC, por sus siglas en inglés).

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.

El agua en una tetera, mientras hierve, se divide claramente en líquido y vapor. Pero bajo una presión enorme, la frontera desaparece: la sustancia entra en un estado supercrítico, ni una cosa ni la otra, sino algo intermedio. Los agujeros negros también pueden hacer esto.

La aleación de paladio y teluro, a la que se añadió un poco de oro, se comporta como un conductor que pierde resistencia al enfriarse.

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.