Por Canuto  

Un equipo de físicos midió las pequeñas fluctuaciones de una corriente eléctrica para investigar el pseudogap de los cupratos. Sus resultados apuntan a que los electrones forman pares a energías asociadas con ese fenómeno, aunque el estudio no resuelve por completo el origen del pseudogap ni explica cómo elevar la temperatura crítica.
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  • El ruido de disparo medido con un microscopio de efecto túnel mostró una señal adicional asociada con el emparejamiento de electrones en BSCCO.
  • La señal comenzó a aumentar en la energía del pseudogap local y disminuyó al aplicar campos magnéticos de hasta seis teslas, que suprimen el emparejamiento.
  • Los resultados respaldan la existencia de pares preformados antes de la coherencia superconductora, pero no descartan que otros patrones electrónicos también participen en el pseudogap.

Un equipo de físicos encontró una nueva pista sobre uno de los enigmas que persisten en la superconductividad de alta temperatura: por qué ciertos electrones parecen desaparecer en los cupratos antes de que estos materiales conduzcan electricidad sin resistencia. En lugar de observar únicamente cómo se distribuyen los electrones, los investigadores midieron el tenue ruido producido por la corriente y hallaron una señal que atribuyen a electrones que llegan en pares.

El trabajo, publicado en la revista Science por un grupo liderado por Milan Allan, de la Universidad Ludwig Maximilian de Múnich, e Ingmar Swart, de la Universidad de Utrecht, examina cristales de BSCCO enfriados a unos pocos grados por encima del cero absoluto. Sus resultados vinculan el emparejamiento con la energía del llamado pseudogap, pero no resuelven por sí solos qué origina ese estado ni cómo llevar la superconductividad a temperaturas más altas.

Un enigma que comenzó con electrones «desaparecidos»

Los superconductores transportan electricidad sin resistencia, una propiedad que en la mayoría de los materiales conocidos requiere temperaturas cercanas al cero absoluto. El descubrimiento, a finales de la década de 1980, de cupratos superconductores a temperaturas relativamente más altas abrió una posibilidad práctica: algunos pueden enfriarse con nitrógeno líquido, más asequible que los refrigerantes necesarios para muchos superconductores convencionales.

Sin embargo, casi cuatro décadas de investigación no han producido consenso sobre el mecanismo que permite esa superconductividad. El centro del debate es el pseudogap, un estado que aparece por encima de la temperatura crítica: en ciertas energías, las mediciones registran menos electrones de los que se esperarían, como si una parte de ellos dejara de estar disponible para ser observada.

Una explicación propone que los electrones se organizan en patrones, entre ellos ondas de densidad de carga, y que esas estructuras generan el pseudogap mientras la superconductividad surge por separado. Otra posibilidad sostiene que los electrones desaparecen de esas energías porque empiezan a formar pares de Cooper, las asociaciones que transportan corriente en un superconductor.

Si los pares aparecen antes de que el material se vuelva superconductor, el emparejamiento sería una etapa previa, pero todavía no bastaría para producir corriente sin resistencia. Los pares tendrían que alcanzar además coherencia de fase, es decir, moverse de manera coordinada; separar esos dos procesos ha sido difícil porque distintas técnicas experimentales detectaban señales parciales, sin ofrecer una respuesta concluyente sobre el origen del pseudogap.

La corriente como una señal que se puede escuchar

Para investigar el emparejamiento, el equipo midió el ruido de disparo, pequeñas fluctuaciones que aparecen cuando cargas individuales atraviesan un circuito. Allan comparó el fenómeno con gotas de lluvia que golpean un techo: si las gotas llegan en unidades más pesadas, el golpeteo se vuelve más intenso. De manera parecida, si dos electrones llegan asociados como un par, la corriente puede producir más ruido que el flujo de electrones individuales.

Los investigadores realizaron las mediciones con un microscopio de efecto túnel, que hace pasar corriente entre una punta muy afilada y la superficie de una muestra de cuprato. Al variar el voltaje entre la punta y el material, pudieron seleccionar la energía de los electrones que analizaban y comparar la señal en distintos lugares de la superficie, en vez de obtener una sola lectura general del cristal.

En superconductores convencionales, el emparejamiento produce una duplicación nítida del ruido. En los cupratos, la señal adicional es mucho más débil, porque los electrones individuales siguen fluyendo junto con los pares; por eso, el equipo necesitó años de trabajo para lograr que el instrumento distinguiera ese efecto, mediante ajustes de electrónica y una labor experimental persistente.

El desafío no consistía solo en registrar una fluctuación, sino también en averiguar si realmente provenía de pares y no de otras fuentes. Allan señaló que descartar explicaciones alternativas, como el movimiento de átomos en la superficie, fue una parte especialmente ardua del análisis. Esa cautela es importante porque el ruido puede resultar difícil de interpretar y una señal débil, por sí sola, no identifica qué proceso la produjo.

El pseudogap y el emparejamiento aparecen conectados

El grupo examinó cristales de BSCCO enfriados a pocos grados por encima del cero absoluto y comparó el ruido medido con las energías en las que se observa la reducción de electrones asociada con el pseudogap. Si este fenómeno proviniera exclusivamente de patrones electrónicos congelados, razonaron los investigadores, la señal adicional de emparejamiento debería aparecer solo en las energías relacionadas con la superconductividad.

El resultado fue distinto: el ruido adicional empezó a aumentar en la energía del pseudogap local. Como esa energía cambia de un punto a otro de la superficie, el equipo repitió las mediciones en diferentes ubicaciones y encontró que el aumento de la señal seguía el valor local. El mismo patrón también se mantuvo al estudiar muestras con composiciones químicas distintas.

Una prueba adicional llegó al aplicar campos magnéticos de hasta seis teslas. En estas condiciones, el campo suprime el emparejamiento mientras deja relativamente intacto el patrón general de electrones que faltan; conforme aumentaba la intensidad del campo, el ruido descendía hacia el nivel esperado para electrones individuales, tal como anticiparía una señal originada por pares.

La combinación de esas observaciones respalda que el emparejamiento está relacionado con el pseudogap y debilita la idea de que este se explique únicamente mediante patrones congelados. No elimina, sin embargo, la posibilidad de que las estructuras electrónicas y el emparejamiento estén entrelazados: Swart sostuvo que, cualquiera que sea la explicación detallada del pseudogap, el emparejamiento debería formar parte de ella.

Qué significa para la temperatura crítica

La energía necesaria para separar un par permite expresar la fuerza del emparejamiento, y la temperatura puede influir en ella porque el calor favorece las colisiones que rompen los pares. En superconductores convencionales, la formación de pares y el establecimiento de coherencia de fase ocurren simultáneamente al alcanzar la temperatura crítica; los resultados en cupratos apuntan, en cambio, a que esos pasos podrían suceder por separado.

Según la interpretación de Swart, los pares podrían formarse primero y la coherencia de fase establecerse solo a temperaturas más bajas. Si esa secuencia se confirma, el principal obstáculo para la superconductividad en estos materiales no sería necesariamente conseguir que los electrones se emparejen, sino lograr que los pares se muevan juntos de manera coordinada.

La posibilidad de que el emparejamiento persista a energías muy superiores a la temperatura superconductora alimenta la esperanza de elevar la temperatura crítica, pero no demuestra que un cuprato pueda funcionar a temperatura ambiente. Allan y Swart advirtieron que la imagen es más compleja: otros efectos acoplados pueden intervenir, y el estudio no muestra que baste con resolver la coherencia de fase para obtener un material práctico a temperaturas mucho más altas.

La técnica pierde sensibilidad al aumentar la temperatura, por lo que el equipo todavía no pudo medir el ruido por encima de la temperatura superconductora, donde suele definirse el pseudogap. Allan planteó como preguntas abiertas qué limita la temperatura crítica y qué ocurre exactamente cuando el material la alcanza; Swart, por su parte, quiere obtener mapas de ruido de la superficie con más resolución y desarrollar un instrumento capaz de detectar directamente la coherencia.

Ese tipo de medición podría ofrecer marcadores distintos para el inicio del emparejamiento y el comienzo de la coherencia de fase, dos fenómenos que hasta ahora resulta difícil separar. Allan también considera que mejorar los materiales podría depender más de la química y del ensayo directo, con ayuda de la inteligencia artificial, que de la física por sí sola. Por ahora, el estudio aporta una nueva herramienta para examinar el mecanismo, no una receta para fabricar un superconductor a temperatura ambiente.


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