Científicos descubren un estado de superconducción de la materia difícil de detectar predicho hace 50 años

La predicción era que los electrones "pares de Cooper" en un superconductor podrían existir en dos estados posibles. Podrían formar un "superfluido", donde todas las partículas están en el mismo estado cuántico y se mueven como una sola entidad, llevando corriente con resistencia cero, lo que se suele llamar un superconductor. O los pares de Cooper podrían variar periódicamente la densidad a través del espacio, una denominada "onda de densidad de par de Cooper". Durante décadas, este nuevo estado ha sido difícil de alcanzar, posiblemente debido a que no existía un instrumento capaz de observarlo.

Ahora, un equipo de investigación dirigido por J.C. Séamus Davis, físico del Laboratorio de Brookhaven; James Gilbert White, profesor de Ciencias Físicas en Cornell, y Andrew P. Mackenzie, director del Instituto Max-Planck CPMS en Dresden, Alemania, han desarrollado una nueva forma de utilizar un microscopio con efecto túnel (STM, por sus siglas en inglés) directamente en la imagen pares de Cooper.

Los estudios se llevaron a cabo por el investigador asociado Mohammed Hamidian (ahora en la Universidad de Harvard, Estados Unidos) y el estudiante graduado Stephen Edkins (Universidad de St. Andrews, en Escocia), trabajando como miembros del grupo de investigación de Davis en Cornell y con Kazuhiro Fujita, físico del Departamento de Ciencias de los Materiales y Física de la Materia Condensada en el Laboratorio de Brookhaven.

La superconductividad fue descubierta por primera vez en metales enfriados casi al cero absoluto (-273.15 grados Celsius o Fahrenheit -459.67). Recientemente se han desarrollado materiales llamados cupratos --óxidos de cobre mezclados con otros átomos-- superconductores a temperaturas tan "altas" como 148 grados por encima del cero absoluto (-125 grados Celsius).

En los superconductores, los electrones se unen en pares que son magnéticamente neutros para que no interactúen con los átomos y puedan moverse sin resistencia. Hamidian y Edkins estudiaron un cuprato con bismuto, estroncio y calcio (Bi2Sr2CaCu2O8) utilizando un STM increíblemente sensible que escanea una superficie con resolución sub-nanométrica en una muestra refrigerada hasta dentro de unas pocas milésimas de grado por encima del cero absoluto.

A estas temperaturas, los pares de Cooper pueden saltar a lo largo de distancias cortas de un superconductor a otro, un fenómeno conocido como túnel Josephson. Al observar los pares de Cooper, los científicos redujeron brevemente la punta de la sonda para tocar la superficie y recoger una escama del material cuprato.

Entonces, los pares de Cooper podían realizar un túnel entre la superficie del superconductor y la punta superconductora. El instrumento se convirtió, según Davis, "en la primera exploración del mundo bajo microscopio del efecto túnel Josephson".

El flujo de la corriente de pares de Cooper entre la muestra y la punta reveló la densidad de pares de Cooper en cualquier punto y mostró variaciones periódicas a través de la muestra, con una longitud de onda de cuatro celdas unitarias de cristal. El equipo había encontrado un estado de ondas de densidad de pares de Cooper en un superconductor de alta temperatura, lo que confirma la predicción de hace 50 años.

Un hallazgo colateral fue que los pares de Cooper no se observaron en el entorno de unos pocos átomos de zinc que se habían introducido como impurezas, haciendo el mapa general de pares de Cooper como un "queso suizo". Los autores señalan que su técnica podría emplearse para buscar ondas de densidad de pares de Cooper en otros cupratos, así como los más recientemente descubiertos superconductores basados en hierro.

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