superconductividad en películas delgadas

Una película transparente de óxido de bismuto y wolframio reposa sobre un sustrato sin conducir la corriente. Tres minutos en una nube de plasma de nitrógeno bastan para que se vuelva negra y su resistencia caiga mil millones de veces.

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.

El horno microondas calienta la comida, pero en el laboratorio las microondas han hecho algo distinto: han convertido un superconductor en un imán permanente. Una película de óxido de itrio, bario y cobre de 300 nanómetros de espesor, enfriada a 80 kelvin, respondió a una radiación de 5 gigahercios.

Una fina película de nitruro de circonio descansa sobre un sustrato de óxido de magnesio. El espesor es de dos décimas de micra, como una telaraña, pero en su interior hierve una vida cuántica. Al enfriarse a medio kelvin, la superconductividad no desaparece de inmediato: se descompone en raros islotes que aún se mantienen en medio del desorden.

La corriente en un metal ordinario fluye como una multitud por una calle recta: cada electrón va por su cuenta, y si se aplica un campo magnético, toda la multitud se desplaza ligeramente hacia un lado. Ese desplazamiento se llama efecto Hall.

Dentro de un yunque de diamante que comprime la muestra con una fuerza millones de veces superior a la presión atmosférica, una fina película de lantano se encuentra con el hidrógeno. El hidrógeno proviene del amoníaco-borano, un polvo que al calentarse libera su hidrógeno, como una esponja suelta el agua.

Un microchip del tamaño de una uña genera tanto calor como una bombilla pequeña. Disipar ese calor es como intentar vaciar una taza de té hirviendo con una cucharilla: el material aislante que rodea los transistores normalmente conduce mal el calor.

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.

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.

Una lámina de cerámica tan fina como una película de jabón, y por ella fluye corriente sin la menor resistencia. Así se ve la superconductividad lograda en niquelatos, parientes de los famosos superconductores de cuprato.

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.

Un alfarero traza un patrón con un cincel afilado sobre una baldosa de arcilla aún húmeda. Un movimiento en falso y la línea se emborrona, la baldosa se agrieta. Algo así es como trabajan los físicos con películas del superconductor de alta temperatura YBCO (un compuesto de itrio, bario, cobre y oxígeno).

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 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.

Un cristal parecido a una pila de panqueques se colocó sobre un sustrato liso de óxido de magnesio. Se obtuvo una película de cientos de átomos de espesor. Cuando se hizo pasar corriente a través de ella y se encendió el imán, la resistencia aumentó casi una cuarta parte: un 22,5% con un campo de 9 teslas.

Un suelo de mosaico formado por muchas baldosas pequeñas, giradas en direcciones distintas. Parecería que cualquier patrón que intente atravesar ese suelo debería desordenarse y desaparecer. Así se piensa normalmente del desorden en los cristales: si los átomos no están alineados en una red perfecta, los efectos cuánticos sutiles deberían destruirse.

Cuando pulsas el interruptor, la luz no se enciende de inmediato: los electrones en los cables necesitan tiempo para 'ponerse en marcha' y moverse juntos. En los metales y semiconductores comunes, la corriente gana fuerza gradualmente, como el agua en una manguera cuando acabas de abrir el grifo.

Un superconductor es un material por el que la corriente fluye sin pérdidas, como el agua por una tubería perfectamente lisa. Pero para que la tubería sea perfecta, hay que enfriarla a una temperatura muy baja.

Un transistor normal de un teléfono se crea en una cámara de vacío, donde los átomos se depositan capa a capa. Es caro y lento. Pero el óxido de indio se puede imprimir como tinta: a partir de una gota de metal líquido que, al aire, se cubre sola con una fina película de óxido. Los autores tomaron indio, lo fundieron y lo extendieron sobre un sustrato a 250 grados.

Un superconductor es como una ciudad donde la corriente eléctrica fluye sin semáforos ni atascos. Pero el cristal UTe2 tiene una particularidad: su superficie sigue reglas distintas a las del interior. En los átomos de telurio que se encuentran en la superficie, los electrones han encontrado una "escapatoria": estados con energías que dentro del cristal están prohibidas.

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.

Una alfombra está lisa, pero si la empujas desde un borde, se forman pliegues. En una película delgada de sulfuro de tántalo (1T-TaS2), los pliegues de electrones —las ondas de carga— se congelan como si la alfombra estuviera pegada al suelo. Para moverlas, hay que aplicar una fuerza.

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.

Normalmente, para obtener ondas de terahercios (luz entre las microondas y el infrarrojo) se construye un sándwich de distintos metales. En él, una capa actúa como fuente y otra como receptor de cargas. Al platino en estas estructuras se le asignaba el papel de simple conductor. Pero resultó que puede funcionar por sí solo.

Una película fina de óxido de níquel de unas decenas de nanómetros de espesor es como una hoja de papel doblada cientos de veces más fina. A temperatura ambiente conduce la electricidad, pero basta con enfriarla un poco para que se convierta en un aislante.

Una lámina de grafeno de un átomo de espesor es como un mantel perfectamente liso sobre el que ruedan bolitas electrónicas. Coloca una barrera eléctrica en el camino de esas bolitas y, normalmente, rebotarán hacia atrás.

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.

Los átomos magnéticos en un sólido se parecen a las agujas de una brújula: normalmente, al enfriarse, se alinean en una misma dirección, y así surge el magnetismo. Pero en el material TbInO3, las agujas de terbio se asientan en una red triangular donde es imposible complacer a todos los vecinos a la vez.

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.

La soldadura convencional no sirve para circuitos cuánticos: al enfriarse hasta la temperatura del helio líquido, el metal se agrieta y los contactos introducen ruido.

Una hoja de papel cientos de veces más delgada que un cabello humano: aproximadamente así de fina es la película de óxido de vanadio que cultivaron los científicos. Dentro de esta película, los electrones, diminutos portadores de corriente eléctrica, se mueven casi sin colisiones. Como autos en una carretera nocturna vacía, aceleran y no pierden velocidad.

El sonido en la superficie de un cristal es como las ondas en el agua, pero que viajan por un sólido. Estas ondas se llaman ondas acústicas superficiales: se mueven cien mil veces más lento que la luz, por lo que pueden comprimirse en segmentos muy cortos y caber en un chip diminuto.

Una película delgada de niobio y estaño conduce corriente sin resistencia, a menos que se haga demasiado delgada. Entonces, de repente, se convierte en aislante. Un grupo de físicos comprobó qué sucede si se añade un poco más de estaño del que indica la fórmula.

Un ordenador cuántico se parece a un instrumento musical: incluso una diminuta rayadura en una cuerda estropea el sonido. En lugar de cuerdas, tenemos resonadores superconductores: finas pistas de nitruro de titanio sobre una oblea de silicio.

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 superconductor ordinario y un campo magnético son como el agua y el fuego: el campo rompe los pares de electrones que transportan la corriente sin resistencia. Pero si en lugar de una película continua se utiliza un conjunto de granos diminutos de aluminio, cada uno recubierto por una fina capa de óxido, la situación cambia.

Un cristal es como un mosaico perfectamente colocado de átomos. Pero cultivar ese mosaico es una tarea con trampa: basta con que se altere el orden y aparecen "costuras": fronteras donde las filas de átomos no coinciden. Para la electrónica convencional es una nimiedad, pero para una computadora cuántica es una catástrofe.

Un cable normal se calienta cuando lo atraviesa la corriente. Un superconductor, no. Pero casi todos los superconductores conocidos funcionan o a temperaturas muy bajas o bajo presiones enormes, como en el interior de los planetas. Los científicos llevan tiempo buscando un material que evite esos extremos.

Un electrón en un metal normalmente se parece a una persona en hora punta: choca constantemente con otros y pierde la dirección. Pero si se eliminan los obstáculos, puede volar en línea recta, como un auto por una autopista vacía de noche. Ese movimiento se llama balístico, de la palabra "balista", una antigua máquina de asedio que lanzaba piedras sin obstáculos.

La luz del sol cae sobre un tejado y en una fina película nacen electrones. Deben llegar a tiempo a los cables antes de enfriarse y perder energía. En el sulfuro de estaño, un material barato y accesible para baterías, se ha logrado captar esa carrera y ese enfriamiento con una nitidez sin precedentes: las imágenes se suceden cada milmillonésima de milmillonésima de segundo.