Primera demostración experimental de superconductividad quiral

Hasta ahora, la superconductividad sólo se ha demostrado en materiales aquirales, en los que la corriente fluye en ambas direcciones igualmente.

La superconductividad quiral combina dos conceptos típicamente no relacionados en un solo material: Los materiales quirales tienen imágenes especulares que no son idénticas, similares a cómo las manos izquierda y derecha no son idénticas porque no pueden superponerse una encima de la otra. Y los materiales superconductores pueden conducir una corriente eléctrica con cero resistencia a temperaturas muy bajas.

La observación de la superconductividad quiral ha sido desafiante experimentalmente debido a los requerimientos de material. Aunque los nanotubos de carbono son superconductores, quirales y comúnmente disponibles, hasta ahora los investigadores sólo han demostrado con éxito transporte de electrones superconductores en ensambles de nanotubos y no en nanotubos individuales, que son necesarios para este propósito.

"El significado más importante de nuestro trabajo es que la superconductividad se realiza por primera vez en un nanotubo individual", dijo a Phys.org el coautor Toshiya Ideue de la Universidad de Tokio. "Nos permite buscar propiedades exóticas superconductoras originadas en la estructura característica (tubular o quiral)", explicó este invesatigador, cuyo trabajo y el de su equipo ha sido publicado en Nature Communications.

El logro sólo es posible con un nuevo material superconductor bidimensional llamado disulfuro de tungsteno, un tipo de dicalcogenuro de metal de transición, que es una nueva clase de materiales que tienen aplicaciones potenciales en electrónica, fotónica y otras áreas. Los nanotubos de disulfuro de tungsteno son superconductores a bajas temperaturas usando un método llamado 'apertura y cierre' de líquido iónico y también tienen una estructura quiral. Además, es posible ejecutar una corriente superconductora a través de un nanotubo de disulfuro de tungsteno individual.

Cuando los investigadores ejecutaron una corriente a través de uno de estos nanotubos y enfriaron el dispositivo hasta 5.8 K, la corriente se hizo superconductora, lo que significa que su resistencia normal se redujo a la mitad. Cuando los investigadores aplicaron un campo magnético paralelo al nanotubo, observaron pequeñas señales antisimétricas que viajan en una sola dirección. Estas señales son insignificantemente pequeñas en materiales superconductores no quirales, y los investigadores explican que la estructura quiral es responsable de mejorar fuertemente estas señales.

"El transporte eléctrico asimétrico se realiza sólo cuando se aplica un campo magnético paralelo al eje del tubo", dijo Ideue. "Si no hay campo magnético, la corriente debe fluir simétricamente, observamos que la corriente eléctrica debe ser asimétrica (si el campo magnético se aplica paralelo al eje del tubo) incluso en el estado normal (región no superconductora), pero no podríamos ver ninguna señal discernible en el estado normal, pero, curiosamente, muestra un gran aumento en la región superconductora ".

Actualmente, los investigadores no están exactamente seguros de lo que causa el transporte eléctrico asimétrico en los nanotubos quirúrgicos superconductores. Planean investigar más a fondo estos mecanismos en el futuro, lo que revelaría una nueva visión de la relación entre la superconductividad y la quiralidad.

"Nuestro próximo plan es entender el mecanismo microscópico de los fenómenos observados", dijo Ideue. "Además, trataremos de verificar la universalidad del transporte superconductor no recíproco y su mejora en la región superconductora".

A pesar de que puede ser demasiado temprano para decir qué tipos de aplicaciones de la superconductividad quiral podría tener, los investigadores explican que el efecto unidireccional comparte similitudes con las tecnologías existentes.

"Una cosa que podemos decir es que el transporte eléctrico no recíproco puede ser entendido como un 'efecto de rectificación' o 'funcionalidad similar a un diodo' (si es grande) para que pueda usarse para realizar un 'diodo superconductor' que podría tener potenciales aplicaciones para circuitos superconductores ", dijo Ideue.