La ‘muerte súbita’ de las fluctuaciones cuánticas contradice las teorías actuales de la superconductividad

Los físicos de Princeton han descubierto un cambio repentino en el comportamiento cuántico mientras experimentaban con un aislante de tres átomos de espesor que se puede convertir fácilmente en un superconductor.

La investigación promete avanzar en nuestra comprensión de la física cuántica de los sólidos en general y potencialmente impulsar el estudio de la física cuántica de la materia condensada y la superconductividad en nuevas direcciones. Los resultados fueron publicados en la revista. Física de la naturaleza En un artículo titulado «Criticidad cuántica superconductora no convencional en monocapa WT»₂«.

Los investigadores, dirigidos por Sanfeng Wu, profesor asistente de física en la Universidad de Princeton, descubrieron que el cese repentino (o «muerte») de las fluctuaciones de la mecánica cuántica exhibe una serie de comportamientos y propiedades cuánticas únicos que están más allá del alcance de las teorías establecidas. .

Las fluctuaciones son cambios aleatorios temporales en el estado termodinámico de una sustancia a punto de sufrir una transición de fase. Un ejemplo familiar de transición de fase es el derretimiento del hielo en agua. El experimento de Princeton investigó las fluctuaciones que se producen en un superconductor a temperaturas cercanas al cero absoluto.

«Lo que encontramos al observar directamente las fluctuaciones cuánticas cerca de la transición es una evidencia clara de una nueva transición de fase cuántica que desafía las descripciones teóricas estándar conocidas en el campo», dijo Wu. «Una vez que comprendamos este fenómeno, creemos que existe una posibilidad real de que surja una teoría nueva e interesante».

Fases cuánticas y superconductividad.

En el mundo físico, las transiciones de fase ocurren cuando una sustancia, como un líquido, un gas o un sólido, cambia de un estado o forma a otro. Pero las transiciones de fase también ocurren a nivel cuántico. Estos ocurren a temperaturas cercanas al cero absoluto (-273,15°C) e implican un ajuste continuo de algún parámetro externo como la presión o el campo magnético sin aumentar la temperatura.

Los investigadores están particularmente interesados ​​en cómo se producen las transiciones de fase cuánticas en los superconductores, materiales que conducen la electricidad sin resistencia. Los superconductores pueden acelerar el procesamiento de información y formar la base de potentes imanes utilizados en la atención sanitaria y el transporte.

«Un área de estudio intrigante es cómo pasar de una fase superconductora a otra», dijo Wu. «Y llevamos algún tiempo interesados ​​en este problema de materiales atómicamente delgados, puros y monocristalinos».

La superconductividad se produce cuando los electrones fluyen en pares y de manera uniforme sin resistencia y sin disipar energía. Normalmente, los electrones viajan erráticamente a través de circuitos y cables, y eventualmente luchan entre sí de manera ineficiente y desperdician energía. Pero en el estado superconductor, los electrones trabajan en conjunto de manera energéticamente eficiente.

La superconductividad se conocía desde 1911, aunque cómo y por qué funcionaba siguió siendo un misterio hasta 1956, cuando la mecánica cuántica empezó a arrojar luz sobre el fenómeno. Pero sólo en la última década se ha estudiado la superconductividad en materiales bidimensionales puros, atómicamente delgados. De hecho, durante mucho tiempo se creyó que la superconductividad era imposible en un mundo bidimensional.

«Esto sucedió porque a medida que avanzamos hacia dimensiones más bajas, las fluctuaciones se vuelven tan fuertes que ‘matan’ cualquier posibilidad de superconductividad», dijo Eugene Higgins, profesor N., profesor 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 los llamados vórtices cuánticos (plural: vórtices).

Cada vórtice se asemeja a un pequeño vórtice compuesto por una fina hebra de campo magnético atrapada dentro de una corriente de electrones arremolinada. Cuando la muestra se eleva por encima de una determinada temperatura, aparecen espontáneamente vórtices en pares: vórtices y anti-vórtices. Su rápido movimiento destruye el estado superconductor.

«Un vórtice es como un vórtice», dijo Ong. «Éstas son versiones cuánticas de los remolinos que se ven cuando se drena la bañera».

Los físicos ahora saben que la superconductividad en películas ultrafinas existe por debajo de una cierta temperatura crítica conocida como transición BKT, llamada así en honor a los físicos de materia condensada Vadim Berezinski, John Kosterlitz y David Thouless. Estos dos últimos compartieron el Premio Nobel de Física de 2016 con el físico de Princeton F. Compartió Duncan Haldane, profesor de física en la Universidad Sherman Fairchild.

La teoría BKT se considera ampliamente como una explicación exitosa de cómo los vórtices cuánticos crecen en superconductores bidimensionales y destruyen la superconductividad. La teoría se aplica cuando la transición superconductora se induce calentando la muestra.

El presente experimento

La cuestión de cómo destruir la superconductividad bidimensional 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, las transiciones cuánticas son provocadas por fluctuaciones cuánticas. En este escenario, la transición difiere de la transición BKT impulsada por la temperatura.

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

En esta etapa delgada, 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 presenta comportamientos cuánticos novedosos, como el cambio entre fases aislantes y superconductoras. Pudieron controlar este comportamiento de conmutación construyendo un dispositivo que actuaba como un interruptor de «encendido y apagado».

Pero este es sólo el primer paso. A continuación, los investigadores sometieron el material a dos condiciones clave. Lo primero que hicieron fue enfriar el ditelururo de tungsteno a una temperatura extraordinariamente baja, aproximadamente 50 mikelvin (mK).

Cincuenta mikelvin equivalen a -273,10° Celsius (o -459,58° Fahrenheit), la temperatura increíblemente baja a la que los efectos de la mecánica cuántica son más fuertes.

Luego, los investigadores convirtieron el material de un aislante en un superconductor introduciendo algunos electrones adicionales en el material. No se necesitó mucho voltaje para alcanzar el estado superconductor. «Sólo una pequeña cantidad de voltaje de puerta puede cambiar un material de aislante a superconductor», dijo Tiancheng Song, investigador postdoctoral en física y autor principal del artículo. «Es un efecto realmente significativo».

Los investigadores descubrieron que las propiedades de superconductividad se pueden controlar con precisión ajustando la densidad de los electrones en el material a través del voltaje de la puerta. En una densidad de electrones crítica, los vórtices cuánticos amplifican y destruyen rápidamente la superconductividad, lo que provoca que se produzca una transición de fase cuántica.

Para detectar la presencia de estos vórtices cuánticos, los investigadores crearon un pequeño gradiente de temperatura en la muestra, con un lado del diteluro de tungsteno ligeramente más caliente que el otro. «Los remolinos buscan el borde frío», dijo Ong. «En un gradiente de temperatura, todos los remolinos de la muestra se mueven hacia el lado más frío, por lo que lo que has creado es un río de remolinos que fluye desde el lado más cálido hacia el lado más frío».

Las corrientes de Foucault producen una señal de voltaje detectable en el superconductor. Esto se debe al efecto que lleva el nombre del físico ganador del Premio Nobel Brian Josephson, cuya teoría era que cuando las corrientes parásitas cruzan una línea trazada entre dos contactos eléctricos, producen un voltaje transversal débil que puede detectarse con un nanovoltímetro.

«Podemos verificar que se trata del efecto Josephson; si se invierte el campo magnético, el voltaje detectado se invierte», dijo Ong.

«Ésta es una característica específica de las corrientes parásitas», añadió Wu. «La detección directa de estos vórtices en movimiento ofrece una herramienta práctica para medir las fluctuaciones cuánticas en una muestra, algo que de otro modo sería difícil de lograr».

Fenómenos cuánticos sorprendentes

Una vez que los autores pudieron medir estas fluctuaciones cuánticas, descubrieron una serie de fenómenos inesperados. La primera sorpresa es la notable robustez de los vórtices. Los experimentos han demostrado que estos vórtices existen para temperaturas y campos magnéticos más altos de lo esperado. Sobreviven en la fase resistiva del material, a temperaturas y campos más altos que la fase superconductora.

Una segunda gran sorpresa fue que la señal del vórtice desapareció repentinamente cuando la densidad electrónica se sintonizó justo por debajo del valor crítico en el que se produce la transición de fase cuántica del estado superconductor. En este valor crítico de densidad electrónica, que los investigadores llaman punto crítico cuántico (QCP), que representa un punto en el diagrama de fases a temperatura cero, las fluctuaciones cuánticas impulsan la transición de fase.

«Esperábamos fuertes fluctuaciones por debajo de la densidad crítica de electrones en la parte no superconductora, así como fuertes fluctuaciones por encima de la temperatura de transición BKT», dijo Wu.

«Sin embargo, lo que hemos descubierto es que las señales del vórtice desaparecen ‘repentinamente’ en el momento en que se cruza una densidad electrónica crítica. Y esto es impactante. No podemos explicar en absoluto esta observación: la ‘muerte repentina’ de las fluctuaciones».

«En otras palabras, descubrimos un nuevo tipo de punto crítico cuántico, pero no lo entendemos», añadió Ong.

En el campo de la física de la materia condensada existen actualmente dos teorías establecidas que describen las transiciones de fase de un superconductor: la teoría de Ginzburg-Landau y la teoría BKT. Sin embargo, los investigadores descubrieron que ninguna de estas teorías explicaba los fenómenos observados.

«Necesitamos una nueva teoría para explicar lo que está sucediendo en este caso, y esperamos abordar esto tanto teórica como experimentalmente en trabajos futuros», dijo Wu.