La "muerte repentina" de las fluctuaciones cuánticas desafía las teorías actuales de la superconductividad.

12 de enero de 2024

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por Tom Garlinghouse, Universidad de Princeton

Físicos de Princeton han descubierto un cambio abrupto en el comportamiento cuántico mientras experimentaban con un aislante de tres átomos de grosor que puede convertirse fácilmente en un superconductor.

La investigación promete mejorar nuestra comprensión de la física cuántica en sólidos en general y también impulsar el estudio de la física de la materia condensada cuántica y la superconductividad en direcciones potencialmente nuevas. Los resultados fueron publicados en la revista Nature Physics en un artículo titulado "Unconventional Superconducting Quantum Criticality in Monolayer WTe2".

Los investigadores, liderados por Sanfeng Wu, profesor asistente de física en la Universidad de Princeton, descubrieron que la cesación repentina (o "muerte") de las fluctuaciones cuánticas mecánicas exhibe una serie de comportamientos y propiedades cuánticas únicas que parecen estar fuera del ámbito de las teorías establecidas.

Las fluctuaciones son cambios temporales aleatorios en el estado termodinámico de un material que está al borde de sufrir una transición de fase. Un ejemplo familiar de una transición de fase es la fusión del hielo en agua. El experimento de Princeton investigó las fluctuaciones que ocurren en un superconductor a temperaturas cercanas al cero absoluto.

"Lo que encontramos, al observar directamente las fluctuaciones cuánticas cerca de la transición, fue una evidencia clara de una nueva transición de fase cuántica que desobedece las descripciones teóricas estándar conocidas en el campo", dijo Wu. "Una vez que entendamos este fenómeno, creemos que existe una posibilidad real de que surja una teoría emocionante y nueva".

En el mundo físico, las transiciones de fase ocurren cuando un material, como un líquido, gas o sólido, cambia de un estado o forma a otro. Pero las transiciones de fase también ocurren a nivel cuántico. Estas ocurren a temperaturas cercanas al cero absoluto (-273.15° Celsius) e involucran la sintonización continua de algún parámetro externo, como la presión o el campo magnético, sin aumentar la temperatura.

Los investigadores están particularmente interesados en cómo ocurren las transiciones de fase cuántica en los superconductores, materiales que conducen electricidad sin resistencia. Los superconductores pueden acelerar el proceso de información y formar la base de potentes imanes utilizados en la atención médica y el transporte.

"Cómo se puede cambiar una fase superconductora a otra fase es un área intrigante de estudio", dijo Wu. "Y hemos estado interesados en este problema en materiales monocristalinos limpios y de capa delgada durante un tiempo".

La superconductividad ocurre cuando los electrones se emparejan y fluyen al unísono sin resistencia y sin disipar energía. Normalmente, los electrones viajan a través de circuitos y cables de manera errática, chocando entre sí de manera ineficiente y desperdiciando energía. Pero en el estado superconductor, los electrones actúan en concierto de una manera eficiente en términos energéticos.

La superconductividad se conoce desde 1911, aunque cómo y por qué funcionaba seguía siendo en gran medida un misterio hasta 1956, cuando la mecánica cuántica comenzó a arrojar luz sobre el fenómeno. Pero ha sido en la última década aproximadamente que se ha estudiado la superconductividad en materiales bidimensionales delgados y limpios a nivel atómico. De hecho, durante mucho tiempo se creyó que la superconductividad era imposible en un mundo bidimensional.

"Esto surgió porque, a medida que te adentras en dimensiones más bajas, las fluctuaciones se vuelven tan fuertes que 'matan' cualquier posibilidad de superconductividad", dijo N. Phuan Ong, el profesor Eugene Higgins de Física en la Universidad de Princeton y autor del artículo.

La principal forma en que las fluctuaciones destruyen la superconductividad bidimensional es mediante la aparición espontánea de lo que se llama un vórtice cuántico (en plural: vórtices).

Cada vórtice se asemeja a un pequeño remolino compuesto por un hilo microscópico de campo magnético atrapado dentro de una corriente de electrones en espiral. Cuando la muestra se eleva por encima de una cierta temperatura, los vórtices aparecen espontáneamente en pares: vórtices y antivórtices. Su rápido movimiento destruye el estado superconductor.

"Un vórtice es como un remolino", dijo Ong. "Son versiones cuánticas del torbellino que se ve cuando se vacía una bañera".

Ahora los físicos saben que la superconductividad en películas ultradelgadas sí existe por debajo de una cierta temperatura crítica conocida como la transición BKT, nombrada en honor a los físicos de materia condensada Vadim Berezinskii, John Kosterlitz y David Thouless. Los dos últimos compartieron el Premio Nobel de Física en 2016 con el físico de Princeton F. Duncan Haldane, profesor universitario Sherman Fairchild de Física.

La teoría BKT es ampliamente considerada como una descripción exitosa de cómo proliferan los vórtices cuánticos en superconductores bidimensionales y destruyen la superconductividad. La teoría se aplica cuando la transición superconductora se induce al calentar la muestra.

La pregunta de cómo la superconductividad bidimensional puede ser destruida sin aumentar la temperatura es un área activa de investigación en los campos de la superconductividad y las transiciones de fase. A temperaturas cercanas al cero absoluto, se induce una transición cuántica mediante fluctuaciones cuánticas. En este escenario, la transición es distinta de la transición BKT impulsada por la temperatura.

Los investigadores comenzaron con un cristal a granel de ditelururo de tungsteno (WTe2), que se clasifica como un semimetal estratificado. Los investigadores comenzaron convirtiendo el ditelururo de tungsteno en un material bidimensional exfoliando, o pelando, el material hasta obtener una capa delgada de un solo átomo.

En este nivel de delgadez, el material se comporta como un aislante muy fuerte, lo que significa que sus electrones tienen un movimiento limitado y, por lo tanto, no pueden conducir electricidad. Sorprendentemente, los investigadores descubrieron que el material exhibe una serie de nuevos comportamientos cuánticos, como cambiar entre fases aislantes y superconductoras. Pudieron controlar este comportamiento de cambio construyendo un dispositivo que funciona como un interruptor de encendido y apagado.

Pero esto fue solo el primer paso. Los investigadores sometieron el material a dos condiciones importantes. Lo primero que hicieron fue enfriar el ditelururo de tungsteno a temperaturas excepcionalmente bajas, aproximadamente 50 milikelvin (mK).

Cincuenta milikelvin es -273.10° Celsius (o -459.58° Fahrenheit), una temperatura increíblemente baja en la que los efectos de la mecánica cuántica son dominantes.

Luego, los investigadores convirtieron el material de un aislante en un superconductor introduciendo algunos electrones adicionales en el material. No se necesitó mucha tensión para lograr el estado superconductor. "Una pequeña cantidad de tensión de puerta puede cambiar el material de un aislante a un superconductor", dijo Tiancheng Song, un investigador postdoctoral en física y autor principal del artículo. "Esto es realmente un efecto notable".

Los investigadores descubrieron que podían controlar con precisión las propiedades de la superconductividad ajustando la densidad de electrones en el material a través de la tensión de puerta. A una densidad crítica de electrones, los vórtices cuánticos se proliferan rápidamente y destruyen la superconductividad, lo que provoca la ocurrencia de la transición de fase cuántica.

Para detectar la presencia de estos vórtices cuánticos, los investigadores crearon un pequeño gradiente de temperatura en la muestra, haciendo que un lado del ditelururo de tungsteno estuviera ligeramente más caliente que el otro. "Los vórtices buscan el borde más frío", dijo Ong. "En el gradiente de temperatura, todos los vórtices en la muestra se desplazan hacia la parte más fría, por lo que lo que has creado es un río de vórtices que fluyen de la parte más cálida a la más fría".

El flujo de vórtices genera una señal de voltaje detectable en un superconductor. Esto se debe a un efecto llamado así en honor al físico ganador del Premio Nobel Brian Josephson, cuya teoría predice que siempre que una corriente de vórtices cruza una línea trazada entre dos contactos eléctricos, generan un voltaje transversal débil, que puede ser detectado por un nanovoltímetro.

"Podemos verificar que es el efecto Josephson; si se invierte el campo magnético, el voltaje detectado se invierte", dijo Ong.

"Esta es una firma muy específica de una corriente de vórtices", agregó Wu. "La detección directa de estos vórtices en movimiento nos brinda una herramienta experimental para medir fluctuaciones cuánticas en la muestra, que de otro modo sería difícil de lograr".

Una vez que los autores pudieron medir estas fluctuaciones cuánticas, descubrieron una serie de fenómenos inesperados. La primera sorpresa fue la notable robustez de los vórtices. El experimento demostró que estos vórtices persisten a temperaturas y campos magnéticos mucho más altos de lo esperado. Sobreviven a temperaturas y campos por encima de la fase superconductora, en la fase resistiva del material.

Una segunda sorpresa importante es que la señal del vórtice desapareció abruptamente cuando la densidad de electrones fue ajustada justo por debajo del valor crítico en el que ocurre la transición de fase cuántica del estado superconductor. En este valor crítico de densidad de electrones, que los investigadores llaman el punto crítico cuántico (QCP) que representa un punto a temperatura cero en un diagrama de fase, las fluctuaciones cuánticas impulsan la transición de fase.

"Esperábamos ver fuertes fluctuaciones que persistieran por debajo de la densidad crítica de electrones en el lado no superconductor, al igual que las fuertes fluctuaciones observadas muy por encima de la temperatura de transición BKT", dijo Wu.

'Yet, what we found was that the vortex signals 'suddenly' vanish the moment the critical electron density is crossed. And this was a shock. We can't explain at all this observation—the 'sudden death' of the fluctuations.'

Ong added, 'In other words, we've discovered a new type of quantum critical point, but we don't understand it.'

In the field of condensed matter physics, there are currently two established theories that explain phase transitions of a superconductor, the Ginzburg-Landau theory and the BKT theory. However, the researchers found that neither of these theories explain the observed phenomena.

'We need a new theory to describe what is going on in this case,' said Wu, 'and that's something we hope to address in future works, both theoretically and experimentally.'

Journal information: Nature Physics

Provided by Princeton University