El simulador cuántico permite la primera observación microscópica del emparejamiento de portadores de carga

Un equipo de investigadores de MPQ ha observado por primera vez en un experimento cómo los agujeros (portadores de carga positiva) en un modelo de semiconductor se combinan para formar pares. Este proceso podría desempeñar un papel importante en la comprensión de la superconductividad a alta temperatura.

Usando un simulador cuántico, los investigadores del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica (MPQ) han observado pares de portadores de carga que pueden ser responsables del transporte de corriente eléctrica sin resistencia en superconductores de alta temperatura. Hasta ahora, los mecanismos físicos exactos de estos materiales complejos aún se desconocen en gran medida. Las teorías asumen que la causa de la formación de pares y por tanto del fenómeno de la superconductividad radica en las fuerzas magnéticas. El equipo de Garching pudo demostrar parejas formadas de esta manera por primera vez. Su experimento se basó en una disposición reticular de átomos fríos, así como en una delicada supresión del movimiento de los portadores de carga libres. Los investigadores informan de sus hallazgos en la revista “Nature”.

Desde el descubrimiento de los superconductores de alta temperatura hace casi 40 años, los científicos han estado tratando de descubrir sus mecanismos fundamentales de física cuántica. Pero los materiales complejos aún plantean misterios. Los nuevos hallazgos de un equipo del Departamento de Sistemas Cuánticos de Muchos Cuerpos en MPQ en Garching ahora brindan nuevos conocimientos microscópicos sobre los procesos que pueden ser la base de estos llamados superconductores no convencionales.

Crucial para cualquier tipo de superconductividad es la formación de pares de portadores de carga estrechamente unidos: electrones u huecos, como se denominan las vacantes de electrones. “La razón es la mecánica cuántica”, dice la física de MPQ Sarah Hirthe: cada electrón o hueco lleva un espín medio entero, una cantidad física cuántica que se puede imaginar como una medida del espín interno de una partícula. Los átomos también tienen espín. Sin embargo, por razones de estadística cuántica, solo las partículas con espín entero pueden moverse a través de una red cristalina sin resistencia bajo ciertas condiciones. “Por lo tanto, los electrones o los huecos deben emparejarse para hacer esto”, dice Hirthe. En los superconductores convencionales, las vibraciones reticulares llamadas fonones ayudan en el emparejamiento. En los superconductores no convencionales, por otro lado, funciona un mecanismo diferente, pero la pregunta de qué mecanismo es ha quedado sin respuesta hasta ahora. “En una teoría ampliamente aceptada, las fuerzas magnéticas indirectas juegan un papel crucial”, informa Sarah Hirthe. “Pero esto no se pudo confirmar en los experimentos hasta ahora”.

Modelo de estado sólido perforado con agujeros

Para comprender mejor los procesos en estos materiales, los investigadores utilizaron un simulador cuántico: una especie de computadora cuántica que recrea sistemas físicos. Para hacer esto, dispusieron átomos ultrafríos en el vacío con luz láser para simular electrones en un modelo de estado sólido simplificado. En el proceso, los espines de los átomos se organizaron con direcciones alternas: se creó una estructura antiferromagnética, característica de muchos superconductores de alta temperatura, y estabilizada por interacciones magnéticas. Luego, el equipo “impulsó” este modelo al reducir la cantidad de átomos en el sistema. De esta manera, surgieron agujeros en la estructura en forma de celosía.

El equipo de MPQ ahora pudo demostrar que las fuerzas magnéticas de hecho conducen a pares. Para lograrlo, utilizaron un truco experimental. “Los portadores de carga en movimiento en un material como los superconductores de alta temperatura están sujetos a una competencia de diferentes fuerzas”, dice Hirthe. Por un lado, quieren dispersarse, es decir, estar en todas partes a la vez. Esto les da una ventaja energética. Por otro lado, las interacciones magnéticas aseguran una disposición regular de los estados de espín de los átomos, electrones y huecos, y probablemente también la formación de pares de portadores de carga. Sin embargo: “Hasta ahora, la competencia de fuerzas nos ha impedido observar tales pares bajo el microscopio”, explica Timon Hilker, líder del grupo de investigación. “Por eso se nos ocurrió la idea de evitar el movimiento perturbador de los portadores de carga en una dirección espacial”.

Una mirada más cercana a través del microscopio de gas cuántico

De esta forma, las fuerzas magnéticas estaban, en gran medida, imperturbables. Resultado: los agujeros que se acercaron formaron los pares esperados. Para observar tal emparejamiento, el equipo utilizó un microscopio de gas cuántico, un dispositivo con el que se pueden seguir en detalle los procesos mecánicos cuánticos. No solo se revelaron los pares de agujeros, sino que también se observó la disposición relativa de los pares, lo que sugiere fuerzas de repulsión entre ellos. El equipo informa sobre su trabajo en la revista científica “Nature”. “Los resultados subrayan la idea de que la pérdida de resistencia eléctrica en los superconductores no convencionales es causada por fuerzas magnéticas”, dijo el profesor Immanuel Bloch, director de MPQ y jefe de la división Quantum Many-Body Systems. “Esto conduce a una mejor comprensión de estos materiales extraordinarios y muestra una nueva forma de formar pares de agujeros estables incluso a temperaturas muy altas, lo que podría aumentar significativamente la temperatura crítica de los superconductores”.

Los investigadores del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica ahora están planeando nuevos experimentos en modelos más complejos en los que se conectan grandes redes bidimensionales de átomos. Con suerte, estos sistemas más grandes crearán más pares de agujeros y permitirán la observación de su movimiento a través de la red: el transporte de corriente eléctrica sin resistencia debido a la superconductividad.