En un experimento innovador, científicos de la Universidad de Groningen, junto con colegas de las universidades holandesas de Nijmegen y Twente y el Instituto de Tecnología de Harbin (China), descubrieron la existencia de un estado superconductor que se predijo por primera vez en 2017. Presentan evidencia de una variante especial del estado superconductor FFLO el 24 de mayo en la revista Nature. Este descubrimiento podría tener importantes aplicaciones, particularmente en el campo de la electrónica superconductora.
El autor principal del artículo es el profesor Justin Ye, que dirige el grupo de Física de dispositivos de materiales complejos en la Universidad de Groningen. Ye y su equipo han estado trabajando en el estado superconductor de Ising. Este es un estado especial que puede resistir los campos magnéticos que generalmente destruyen la superconductividad, y que fue descrito por el equipo en 2015. En 2019, crearon un dispositivo que comprende una doble capa de disulfuro de molibdeno que podría acoplar los estados de superconductividad de Ising que residen en los dos capas. Curiosamente, el dispositivo creado por Ye y su equipo permite activar o desactivar esta protección mediante un campo eléctrico, lo que da como resultado un transistor superconductor.
Elusivo
El dispositivo superconductor Ising acoplado arroja luz sobre un desafío de larga data en el campo de la superconductividad. En 1964, cuatro científicos (Fulde, Ferrell, Larkin y Ovchinnikov) predijeron un estado superconductor especial que podría existir en condiciones de baja temperatura y fuerte campo magnético, denominado estado FFLO. En la superconductividad estándar, los electrones viajan en direcciones opuestas como pares de Cooper. Como viajan a la misma velocidad, estos electrones tienen un momento cinético total de cero. Sin embargo, en el estado FFLO, hay una pequeña diferencia de velocidad entre los electrones en los pares de Cooper, lo que significa que hay un momento cinético neto.
« Este estado es muy elusivo y solo hay un puñado de artículos que afirman su existencia en los superconductores normales », dice Ye. ‘Sin embargo, ninguno de estos es concluyente.’ Para crear el estado FFLO en un superconductor convencional, se necesita un fuerte campo magnético. Pero el papel que juega el campo magnético necesita un ajuste cuidadoso. En pocas palabras, para que el campo magnético desempeñe dos roles, necesitamos usar el efecto Zeeman. Esto separa los electrones en los pares de Cooper en función de la dirección de sus giros (un momento magnético), pero no del efecto orbital, el otro papel que normalmente destruye la superconductividad. « Es una negociación delicada entre la superconductividad y el campo magnético externo », explica Ye.
Huella dactilar
La superconductividad de Ising, que Ye y sus colaboradores introdujeron y publicaron en la revista Science en 2015, suprime el efecto Zeeman. « Al filtrar el ingrediente clave que hace posible el FFLO convencional, proporcionamos un amplio espacio para que el campo magnético desempeñe su otro papel, a saber, el efecto orbital », dice Ye.
« Lo que hemos demostrado en nuestro artículo es una huella digital clara del estado FFLO impulsado por el efecto orbital en nuestro superconductor Ising », explica Ye. « Este es un estado FFLO no convencional, descrito por primera vez en teoría en 2017 ». El estado FFLO en los superconductores convencionales requiere temperaturas extremadamente bajas y un campo magnético muy fuerte, lo que dificulta su creación. Sin embargo, en el superconductor Ising de Ye, el estado se alcanza con un campo magnético más débil ya temperaturas más altas.
transistores
De hecho, Ye observó por primera vez signos de un estado FFLO en su dispositivo superconductor de disulfuro de molibdeno en 2019. « En ese momento, no pudimos probar esto porque las muestras no eran lo suficientemente buenas », dice Ye. Sin embargo, su estudiante de doctorado, Puhua Wan, desde entonces logró producir muestras del material que cumplían con todos los requisitos para demostrar que, de hecho, hay un momento finito en los pares de Cooper. « Los experimentos reales tomaron medio año, pero el análisis de los resultados agregó otro año », dice Ye. Wan es el primer autor del artículo de Nature.
Este nuevo estado superconductor necesita más investigación. Ye : ‘Hay mucho que aprender al respecto. Por ejemplo, ¿cómo influye el momento cinético en los parámetros físicos? El estudio de este estado proporcionará nuevos conocimientos sobre la superconductividad. Y esto puede permitirnos controlar este estado en dispositivos como los transistores. Ese es nuestro próximo desafío.’