superconductividad de tripletes

Un átomo solitario de erbio yace sobre un sustrato de plata, y su espín —la rotación interna del electrón— almacena información cuántica. Antes, para invertir ese espín se necesitaba un pulso magnético: una herramienta tosca que afecta a los vecinos y trabaja lentamente. Ahora, físicos de Alemania y Corea han demostrado que basta con un voltaje eléctrico.

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.

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.

Un suelo de parqué donde cada segunda tabla está girada en dirección opuesta parece simétrico. Pero si pasas la mano, en una dirección los dedos se deslizan a favor de la veta y en la otra se enganchan. Más o menos así funciona el nuevo tipo de magnetismo que se ha estudiado en el cristal AgCrP2S6.

Un superconductor normalmente no se lleva bien con un imán: un campo intenso destruye el estado en el que la corriente fluye sin resistencia. Pero en capas delgadas de carbono, todo es diferente.

Los cúbits superconductores son el corazón palpitante de las computadoras cuánticas, pero su ritmo se ve perturbado por la decoherencia: la cuanticidad se disuelve en el ruido.

La luz incide sobre una molécula orgánica y en su interior nace un par de excitaciones gemelas. Se las llama pares tripletes. En moléculas individuales de pentaceno, estos pares saben compartir su energía con los vecinos desde hace tiempo: es la base de la fisión de singlete, que aumenta la eficiencia de las células solares.

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.

En el cristal que durante siglos se llamó 'oro de los tontos', los físicos vislumbraron un auténtico tesoro. El compuesto MnTe2 con estructura de pirita se convirtió en el escenario de un ballet cuántico: las ondas de espín se retuercen aquí en vórtices zurdos y diestros, y la dirección de giro está indisolublemente ligada al momento.

El problema de los tres cuerpos es el eterno escollo de la mecánica celeste. Ya Poincaré a finales del siglo XIX se dio cuenta de que su caos no admite soluciones analíticas generales. En esta locura gravitatoria solo aparecen de vez en cuando islas de regularidad: las órbitas periódicas.

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.

Un superconductor es como una autopista perfecta sin semáforos: los electrones se precipitan sin obstáculos. Pero basta con aplicar un voltaje para que el panorama cambie. En un nuevo experimento, los físicos descubrieron que el campo eléctrico penetra en el superconductor y crea en su interior un régimen mixto.

Un interruptor que sabe por sí solo hacia dónde fluir. Así funciona un diodo de Josephson: un puente superconductor donde la corriente pasa con facilidad en un sentido y encuentra resistencia en el otro. En el nuevo trabajo, ese puente se fabricó con grafeno, una lámina de carbono de un átomo de espesor.

Tres bailarines se mueven como un solo ente: cada uno siente a los demás, y la armonía global no se reduce a las interacciones individuales. Así se comportan aproximadamente tres partículas creadas en el choque de un electrón y un positrón a la velocidad de la luz. Son el quark top, su antipartícula y el bosón Z.

Un enjambre de luciérnagas apenas choca entre sí, pero cambia de color sincronizadamente intercambiando señales. Así se comportan los neutrinos en los densos flujos de estrellas en colapso: se transforman colectivamente de un tipo a otro, aunque individualmente interactúan muy débilmente.

Un traductor trabaja en dos mundos a la vez: para el observador externo es silencioso e imperceptible, pero dentro de su conciencia bulle una intensa actividad con líneas de significado bien definidas. Así son aproximadamente los altermagnetos, una clase de materiales magnéticos descubierta recientemente.

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.

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.

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.

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.

Cuando muchos átomos excitados se reúnen, a menudo disparan luz de manera coordinada, como una multitud que aplaude al unísono. Este fenómeno, conocido desde hace tiempo, se llama superradiancia de Dicke. Pero los autores del nuevo trabajo se preguntaron: ¿qué ocurre si los átomos no son idénticos y cada uno siente a sus vecinos?

El cristal La3Ni2O7 se asemeja a un pastel en capas, donde el relleno de átomos de níquel y oxígeno se alterna con capas de lantano.

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.

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 un cristal ordinario, los átomos están alineados en filas perfectas, como soldados en formación. Cualquier desviación de ese orden se considera perjudicial: el desorden dispersa las ondas y apaga rápidamente los movimientos colectivos de las partículas.

Dentro de un superconductor, el campo magnético suele enrollarse en tubos: vórtices, cada uno de los cuales transporta un cuanto de flujo magnético. Así está construida la red clásica de Abrikósov. Pero en los cristales de LiFeAs el panorama es diferente.

Una orquesta sin director toca y, de repente, sin una orden visible, los violines empiezan a sonar más fuerte y los instrumentos de viento se desplazan ligeramente en el tiempo. Desde fuera parece que nada ha cambiado, pero dentro del conjunto se ha producido una reorganización. Algo parecido ocurre en los sistemas físicos pequeños durante las llamadas pseudotransiciones de tercer orden.

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.

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.

Cuatro músicos tocan en armonía solo si se toman de las manos. En el mundo cuántico, esa cadena la forman cuatro electrones en cuatro puntos cuánticos vecinos, pequeñas trampas para la carga. Esta es la base del cubit SAGE (del inglés «intercambio sin brecha siempre activo en singletes»).

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.

Una pequeña bolita con relleno de hierro descansa sobre una superficie, y a su alrededor gira un campo magnético. La bolita empieza a rodar como una rueda y normalmente va hacia donde gira el campo. Pero a veces, de repente, da la vuelta y rueda en dirección contraria, contra el campo.

En la pista de baile, la luz y los movimientos de los bailarines no están vinculados: las luces parpadean por separado, la gente se mueve por su cuenta. En el micromundo sucede igual: los electrones y los fotones apenas se sincronizan — es la prohibición de la superradiancia. Pero añade un ritmo pegadizo y la pista cobra vida. Los físicos utilizaron un campo magnético pulsante como ritmo.

Una cesta tejida con mimbre mantiene su forma gracias al entrelazado. Un patrón similar —triángulos unidos en una red plana— se ha descubierto en un nuevo cristal con fórmula Cs₃V₉Te₁₃. Aquí, los átomos de vanadio forman dos conjuntos de triángulos que se atraviesan mutuamente, como hilos en una tela.

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.

Un electrón en un campo magnético es como una diminuta peonza que gira y emite un débil 'chirrido' a su frecuencia. Escuchar ese chirrido directamente es casi imposible: se pierde en el ruido. Los científicos han ideado un resonador: una tira superconductora de microondas que funciona como un diapasón afinado a la misma nota.

Un anillo de átomos magnéticos recuerda a una ronda en la que cada participante toma de las manos a sus vecinos. En los imanes ordinarios, cada átomo posee su propio momento magnético permanente, y estos interactúan como pequeñas agujas que tienden a alinearse en direcciones opuestas.

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.