rigidez superfluida

Una fina capa de arseniuro de indio está escondida bajo una película superconductora, como una voz bajo el ruido de la multitud. En este híbrido, la corriente elige el camino de menor resistencia y casi toda fluye por el metal, por lo que el semiconductor permanece inaudible para los instrumentos convencionales.

En las profundidades de una estrella de neutrones, donde la materia está comprimida hasta la densidad del núcleo atómico, los neutrones forman un líquido superfluido y los protones un superconductor. Un vórtice de neutrones es un vórtice cuantizado en el líquido superfluido, similar a un mini remolino que no puede detenerse.

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.

Un cable normal se calienta cuando circula corriente: parte de la energía se pierde. El superconductor no tiene ese defecto: la electricidad fluye sin pérdidas, como el agua por una tubería perfectamente lisa. El problema es que la mayoría de los superconductores requieren temperaturas muy bajas o presiones colosales, como las del interior de los planetas.

Un trozo de película más delgado que un cabello humano se colocó entre yunques de diamante y se comenzó a comprimir. La presión aumentaba: cien mil atmósferas, medio millón, un millón... Y el material seguía conduciendo corriente sin resistencia.

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.

Muchos materiales se comportan como un hielo caprichoso: a una presión se derriten y a otra se vuelven más duros. Los superconductores de la familia de los cupratos no son una excepción. Su capacidad para conducir corriente sin pérdidas depende de cuán comprimida esté la red cristalina.

Gota a gota desde un grifo, o un chorro uniforme sin una sola salpicadura. Así se ven aproximadamente los dos regímenes de corriente en un contacto superconductor. Solo que el papel del agua lo desempeñan los pares de Cooper: electrones enlazados que se mueven sin resistencia.

Un pastel de capas en el que cada capa conduce la electricidad de manera distinta: así es el cristal La3Ni2O7, un compuesto de níquel, lantano y oxígeno. La corriente a lo largo de las capas fluye de forma diferente que a través de ellas.

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.

El grafeno — un cristal bidimensional de carbono — ha tentado a los físicos durante mucho tiempo con la esperanza de una superconductividad a alta temperatura.

En el cristal CsV3Sb5-xSnx, que a bajas temperaturas se vuelve superconductor, la corriente no fluye como un flujo continuo, sino por estrechos caminos sinuosos.

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.

Los electrones en un conductor son como una multitud caótica: al chocar, pierden energía y surge la resistencia. En un superconductor, en cambio, se mueven de manera coordinada, como parejas en un baile sincronizado, sin rozarse. Este estado tiene una entropía reducida, es decir, menos desorden. Este comportamiento es raro en el oro y el cobre.

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.

Un superconductor conduce la corriente sin resistencia, como agua que fluye por una tubería sin fricción. El secreto está en los pares de electrones: dos electrones se unen como una sola entidad, aunque normalmente se repelen. En un superconductor ordinario, los espines de los electrones en un par apuntan en direcciones opuestas: es el estado singlete.

Una sala abarrotada donde los bailarines se deslizan sin la menor fricción, atravesándose unos a otros sin tocarse. Eso es un líquido superfluido. En la corteza de una estrella de neutrones, los neutrones podrían comportarse así, pero una rígida red de iones se lo impide, como si de repente la pista de baile se llenara de postes muy juntos.

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.

En los metales que conocemos, como el cobre, los electrones se mueven casi independientemente, como coches en una autopista despejada. La resistencia surge de colisiones raras y puede describirse con fórmulas sencillas.

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.

El campo magnético no penetra en un superconductor como un flujo continuo, sino en forma de finos hilos: los vórtices. Normalmente se repelen y se ordenan en una red triangular regular, como flotadores en el agua. Pero en CaSb₂ todo ocurrió de otra manera: los vórtices se agruparon en montones apretados, dejando entre ellos espacios casi vacíos.

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.

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.

Un alambre fino del nuevo material conduce electricidad sin pérdidas si se enfría a tres grados por encima del cero absoluto. Es como agua que fluye por una tubería sin encontrar fricción en las paredes. El material se llama PtPb3Bi y su peculiaridad es su estructura interna, similar a un haz de hilos: los electrones corren libremente a lo largo del hilo, pero saltan con dificultad entre hilos.

Un fluido sin fricción, que fluye eternamente, eso es la superfluidez. El helio-3 la adquiere solo a milésimas de grado por encima del cero absoluto. La teoría de este estado fue desarrollada por Lev Landau y Richard Feynman.

Una fina lámina de grafeno de unos pocos micrómetros de espesor se colocó en un campo magnético débil, y comenzó a expulsarlo de su interior, como una esponja que, al ser comprimida, expulsa el agua.

Una lámina de grafeno de un átomo de espesor se retuerce en un ángulo pequeño, y comienza a comportarse como un pastel de capas, donde las capas están ligeramente giradas entre sí. En un cierto ángulo de giro, este material se convierte en superconductor: los electrones comienzan a moverse en pares, como bailarines de vals, sin perder energía.

Un superconductor es un material que, cuando se enfría mucho, conduce la corriente sin pérdidas, como el agua que fluye por una tubería perfectamente lisa. Pero si lo golpeas con un destello corto de luz, pierde esa propiedad rápidamente.

Un hilo flexible enrollado en anillo se encierra en una cajita con líquido. Puede absorber agua e hincharse como una esponja, o expulsar la humedad y encogerse en una bola apretada. La elección entre estos estados depende de si el hilo tiene un nudo, y de cuál sea. La razón está en la entropía, la medida del desorden.

Un superconductor conduce la corriente sin pérdidas, como una carretera perfectamente lisa por la que los coches circulan sin fricción. Pero, ¿y si esparcimos piedras y baches en la carretera? Los científicos decidieron probar esto añadiendo desorden a un material superconductor de un átomo de espesor.

Desde hace tiempo se sospechaba que el efecto Hall cuántico era superfluyente, capaz de fluir sin fricción. Imagina a un cocinero que sigue una receta: por cada unidad de flujo magnético debe colocar exactamente un número determinado de electrones.

El helio líquido a temperaturas ultrabajas fluye sin fricción, como un lubricante ideal. En él nacen remolinos parecidos a los del agua común, pero su fuerza de rotación cambia solo por pasos fijos, como los de un tocadiscos: solo 33, 45 o 78 revoluciones.

Un sensor de campo magnético ultrapreciso convencional se parece a una balanza que empieza a mentir si le pones un peso demasiado grande. La señal se distorsiona y hay que añadir electrónica compleja para enderezar las lecturas. Esa electrónica introduce ruido y dificulta el funcionamiento rápido.

El material en capas (SnS)1.15(TaS2) se asemeja a una pila de hojas de papel donde las láminas conducen la corriente y entre ellas hay capas intermedias que impiden que se peguen. A presión ambiente, este material conduce la corriente sin resistencia, es decir, es un superconductor.

Un conductor ordinario deja pasar la corriente igual en ambas direcciones, como una puerta que se abre hacia dentro y hacia fuera. Un diodo, en cambio, es una puerta con cierre hidráulico: en un sentido se abre con facilidad, pero en el otro opone resistencia.

Un fluido superfluido fluye sin fricción, como agua en una tubería perfectamente lisa, pero en cuanto encuentra un obstáculo, el panorama cambia. En un nuevo estudio se examinó cómo un flujo superfluido rodea paredes rectangulares y pozos con esquinas afiladas.

Dentro de algunos materiales, la corriente eléctrica fluye sin la menor resistencia. Son los superconductores, y solo funcionan con un frío intenso. Los óxidos de cobre son un caso especial: mantienen la superconductividad a temperaturas algo más altas, pero el porqué es un misterio desde hace cuarenta años.

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.

En un metal grueso, los electrones son como una orquesta desafinada: cada instrumento va por su cuenta, el sonido general es ruido. Pero lamina el metal hasta una película de un par de átomos — y los electrones de repente empiezan a «tocar» en armonía, conduciendo la corriente sin disonancia.

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.