Francis en Trending Ciencia: El efecto Josephson

Dibujo20130721 Trending Ciencia - josephson junction

Ya puedes escuchar mi nuevo podcast sobre Física para Trending Ciencia siguiendo este enlace. Como siempre, una transcripción del audio.

He elegido, sin que sirva de precedente, una noticia que ya ha aparecido en mi blog, la observación directa del fenómeno responsable del efecto Josephson en uniones de superconductores, la aparición de pares de estados de Andreev, los llamados “puentes” de Adreev. Me basaré en el News & Views en Nature de Simon Gustavsson y William Oliver (ambos del MIT, Instituto Técnico de Massachusetts, EEUU), titulado “Andreev states taken to the next level,” (“estados de Andreev llevados al límite”) publicado en Nature el pasado 18 de julio. Ellos se hacen eco del artículo técnico de Landry Bretheau, miembro del grupo de Quantrónica de Cristian Urbina, en el Centro Multidisciplinar CEA de Saclay, Francia, Instituto miembro del CNRS, el equivalente francés del CSIC español. El artículo de Bretheau y sus colegas se titula “Exciting Andreev pairs in a superconducting atomic contact,” (“pares de Andreev excitados en un contacto atómico superconductor), publicado en Nature también el pasado 18 julio de 2013. No es la primera vez que se observan los estados de Andreev en una unión Josephson, pero se trata de la primera observación directa utilizando espectroscopía por absorción de fotones. Como afirman Gustavsson y Oliver, el nuevo artículo del grupo de Urbina da el pistoletazo de salida a la física de los estados de Andreev, que promete interesantes aplicaciones en computación cuántica y en metrología basada en superconductores.

Dibujo20130721 atomic contact - spectrometer - josephson junction

Te confieso que le tengo un cariño especial al efecto Josephson porque hace unos veinte años estudié líneas de transmisión no lineales con uniones o diodos Josephson. Como bien sabrás un diodo semiconductor, también llamado unión pn, está formado por un cristal semiconductor con dos regiones dopadas con átomos aceptores y aceptores de electrones. Un diodo polarizado en inversa se comporta como un condensador controlado por voltaje, cuya capacidad depende de forma no lineal del voltaje aplicado entre sus bornes. Igualmente, un diodo Josephson, también llamado unión Josephson, está formado por dos superconductores unidos entre sí por una delgada capa de un material no superconductor. Lo más curioso de los diodos Josephson es que actúan como un inductor controlado por corriente, cuya inductancia depende de forma no lineal de la corriente eléctrica aplicada entre sus bornes. De hecho, el efecto Josephson predice que al aplicar una diferencia de potencial entre sus bornes, el diodo Josephson se comporta como un emisor de fotones (radiación electromagnética) cuya frecuencia depende linealmente del voltaje aplicado, lo que permite desarrollar una fuente de fotones de frecuencia variable controlada por voltaje. Por ambas propiedades los diodos Josephson son dispositivos superconductores con muchas aplicaciones prácticas. Hace 20 años yo estudié unas líneas de transmisión no lineales de parámetros concentrados muy especiales que combinan una capacitancia no lineal y una inductancia no lineal ajustadas de tal manera que permiten la propagación de un tipo muy especial de solitones (ondas no lineales en forma de pulsos). Desde el punto de vista matemático eran muy interesantes, aunque desde el punto de vista práctico eran poco realistas, ya que combinar diodos semiconductores y uniones superconductoras en la misma línea de transmisión, ajustados de forma adecuada, además de muy difícil, estaba fuera de los intereses de la mayoría de los expertos en el campo. Pero volvamos al nuevo trabajo técnico de estos físicos franceses que es objeto de este podcast.

El físico británico, galés por más señas, Brian Josephson recibió el Premio Nobel de Fïsica en 1973 por descubrir en 1962 el efecto que lleva su nombre y que explica el funcionamiento de la unión Josephson. Los pares de Cooper en ambos superconductores pueden pasar de uno a otro a través del material no superconductor por efecto túnel cuántico creando un supercorriente eléctrica. Para ello es necesario que la anchura de las funciones de onda cuánticas de los pares de Cooper sea mayor que el grosor del material no superconductor que une ambos superconductores, lo que permite que el efecto túnel tenga una probabilidad no despreciable. Por supuesto, esta explicación del efecto Josephson es efectiva o fenomenológica. Una explicación microscópica basada en teoría cuántica de campos requiere detallar la interacción entre los electrones del par de Cooper en el superconductor y los electrones del material no superconductor (así como la correspondiente a los huecos). Dicha explicación fue obtenida por el físico ruso Alexander Andreev en 1964, que introdujo la llamada dispersión (scattering) de Andreev entre electrones y huecos, que dan lugar a la aparición de dos niveles energéticos, uno fundamental y otro excitado, que permiten la transferencia de dos unidades de carga entre los dos superconductores de la unión Josephson. La teoría de Andreev ofrece una explicación microscópica a la transferencia por efecto túnel de los pares de Cooper gracias a los estados de Andreev, que siempre se observan a pares. El nivel fundamental permite la transferencia de dos unidades de carga en una dirección y el estado excitado en la dirección opuesta. La dispersión de Andreev depende fuertemente del espín y de hecho los estados de Andreev se pueden interpretar de forma efectiva como los estados de interacción entre dos partículas de Majorana. Recuerda que los fermiones de Majorana son fermiones idénticos a sus antipartículas, a diferencia de los fermiones de Dirac como el electrón; muchos físicos creen que los neutrinos podrían ser partículas de Majorana. Por ello, la posibilidad de manipular los estados de Andreev permite análogos de estado sólido a fermiones de Majorana, lo que implica su posible aplicación en el desarrollo de computadores cuánticos topológicos (a priori, muy robustos ante la decoherencia cuántica). Pero discutir este asunto ahora nos llevaría lejos del trabajo técnico de Landry Bretheau, Cristian Urbina y sus colegas.

Dibujo20130721 experimental setup - spectrometric measurement - josephson junction

En una unión Josephson se producen múltiples pares de estados de Andreev, llamados “puentes” de Andreev. La existencia de estos estados ha sido observada de forma indirecta en múltiples experimentos, pero su observación directa ha requerido un gran alarde técnico pues hay que estudiar un único “puente” de Andreev. Bretheau y sus colegas han utilizado espectroscopía de absorción de fotones en una unión Josephson muy especial formada por un puente físico de material no superconductor con pocos átomos de grosor suspendido de forma mecánica entre ambos superconductores. Además, para poder ajustar la energía de la pareja de estados de Andreev han acoplado esta unión Josephson tan especial a un SQUID (dispositivo superconductor de interferencia cuántica) que aplica un campo magnético que permite sintonizar los estados de Andreev. Este dispositivo SQUID está formado por otro diodo Josephson, aunque en este caso de tipo convencional, como los usados en los magnetómetros de alta sensibilidad. Pero esto no es suficiente, como espectrómetro, Bretheau y sus colegas han utilizado un tercer diodo Josepshon controlado por voltaje, que permite emitir fotones con frecuencia ajustable en el régimen de microondas hasta 80 GHz y posibilita la medida de las transiciones entre los dos estados de Andreev, el fundamental y el excitado. Y no acaba aquí el alarde técnico de estos físicos del CNRS francés, además han medido la tasa de absorción de fotones en la unión Josephson de prueba midiendo el flujo de corriente continua a través de la unión que actúa como espectrómetro; este flujo de corriente continua es un resultado del principio de conservación de la energía. Una idea feliz que permite utilizar la unión Josephson del espectrómetro como generador de microondas y como detector. Gracias a esta configuración, Bretheau y sus colegas han realizado una medida directa por espectroscopía de absorción de fotones del par de estados de Andreev en un único puente de Andreev.

En resumen, se ha observado de forma directa la existencia de los estados de Andreev mediante espectroscopía de absorsión con una técnica que permite el control preciso y detallado de estos estados. La manipulación de los estados de Andreev permitirá múltiples aplicaciones, destacando la computación cuántica topológica gracias a que este sistema físico es análogo a partículas de Majorana en interacción. Sin embargo, en mi opinión, lo más interesante de la “física de los estados de Andreev” es que permitirá conocer mejor las propiedades microscópicas de los diodos Josephson y los dispositivos SQUID, los dispositivos superconductores más utilizados, con múltiples aplicaciones prácticas en metrología para la medida ultrasensible de campos magnéticos, sus cambios espaciales, susceptibilidades magnéticas, voltajes muy pequeños y desplazamientos microscópicos. Estos sensores ultrasensibles tienen gran número de aplicaciones en campos tan diversos como la medicina o los satélites que miden el campo geomagnético. La investigación básica en los estados de Andreev da pie a mucha investigación aplicada y a gran número de innovaciones futuras.

Espero que te haya gustado mi penúltimo podcast sobre Física para Trending Ciencia de esta temporada. Sigue este enlace si aún no lo has escuchado

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