Un láser de Josephson capaz de emitir un solo par de Cooper

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Los pares de Cooper en un superconductor son parejas de electrones que se comportan como bosones; el estado superconductor es un condensado de Bose-Einstein de los pares de Cooper. Como son bosones, se puede diseñar un láser de pares de Cooper, llamado láser Josephson. Lei Chen (Universidad de Darmouth, Hanover, New Hampshire, EEUU) y sus colegas han logrado fabricar un láser de Josephson capaz de emitir un solo par de Cooper. Una fuente de pares de Cooper  uno a uno. Un láser Josephson se basa en introducir un transistor de pares de Cooper (CPT) en una cavidad resonante (CPW), donde los pares de Cooper pueden interaccionar con fotones de forma coherente. El CPT tiene dos estados, |0> que corresponden al estado fundamental de los pares de Cooper y |1> que es el estado excitado con un solo par de Cooper. Cuando se ajusta la frecuencia de resonancia de la cavidad óptica de forma adecuada, el acoplo entre fotones y pares de Cooper conduce a la emisión de forma periódica pares de Cooper individuales mediante la transición |1> → |0>. El nuevo láser promete aplicaciones fotónicas, como la generación de fotones de incertidumbre mínima en amplitud (llamados “comprimidos” o squeezed) y para el estudio básico de la dinámica cuántica de los sistemas no lineales. El artículo técnico es Fei Chen et al., “A Single-Cooper-Pair Josephson Laser,” arXiv:1311.2042 [cond-mat.supr-con], 08 Nov 2013.

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La teoría de cuerdas y el secreto de los superconductores de alta temperatura

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Lo dijimos en este blog y ahora se afirma por doquier. Las técnicas matemáticas de la teoría de cuerdas están siendo aplicadas por físicos de la materia condensada que están buscando un nuevo camino teórico para entender la superconductividad. Hace un año y medio había menos de 20 artículos publicados sobre el tema. Ya hay workshops y conferencias internacionales y cada semana aparecen nuevos artículos. ¿Está el secreto de las superconductividad de alta temperatura oculto por el velo de la matemática de la teoría de cuerdas? Muchos han apostado por ello y están “empollando” teoría de cuerdas, hincando los codos en una de las ramas matemáticas más complicadas de la física matemática de finales del s. XX. Nos lo han contando muchos, por ejemplo, Eric Hand, “String theory hints at explanation for superconductivity. Baroque field gets fresh lease of life in condensed-matter physics,” Nature, News, Published online 19 July 2009. Hand se centra en el workshop que acaba de finalizar en el KITP (Instituto Kavli de Física Teórica, en Santa Barbara, California) “Quantum Criticality and the AdS/CFT Correspondence (June 29 – July 24, 2009),” coordinado por Sean Hartnoll, Joe Polchinski, y Subir Sachdev.

¿Eres un físico joven buscando un tema de investigación candente? No puedes permitirte el lujo de no descargarte los vídeos y las transparencias de todas las conferencias de este miniprograma del KITP. Y de estudiarlas. Toda una necesidad para los jóvenes… como tú. 

Tampoco puedes dejar de leer el ArXiv semanalmente, ya que los artículos sobre este tema están empezando a llover a mares. El último de Steven S. Gubser, Christopher P. Herzog, Silviu S. Pufu, Tiberiu Tesileanu, con un título de lo más comercial, apabullante, “Superconductors from Superstrings,” ArXiv, Submitted on 20 Jul 2009. Desafortunadamente, no soy experto, pero a mí me ha decepcionado. O se me escapa algo importante o es bastante flojillo.

Todo el que ha estudiado física ha soñado con descubrir el secreto de la superconductividad de alta temperatura. Yo no lo tengo. Y que yo sepa nadie lo tiene todavía. La teoría de cuerdas podría ser el secreto pero, antes de lanzar las campanas al vuelo, no hay que olvidar una cosa, el secreto podría estar donde menos se espera que esté, en la teoría convencional de la superconductividad. Podrían los pares de electrones (de Cooper) que interactuarían con las vibraciones del material (los fonones) de forma no lineal conduciendo a un comportamiento completamente inesperado en los superconductores de alta temperatura. No lo digo yo, lo claman algunas voces, otras afirman que esto es una tontería. Los fonones son muy importantes en algunos cupratos como nos mostraron D. Reznik, G. Sangiovanni, O. Gunnarsson, T. P. Devereaux, “Photoemission kinks and phonons in cuprates,” Nature 455: E6-E7, 2 October 2008 y en otros cupratos, T. Dahm et al., “Strength of the spin-fluctuation-mediated pairing interaction in a high-temperature superconductor,” Nature Physics 5: 217-221, 18 January 2009. También recomiendo la lectura en este sentido del más antiguo Feliciano Giustino, Marvin L. Cohen, Steven G. Louie, “Small phonon contribution to the photoemission kink in the copper oxide superconductors,” Nature 452: 975-978, 24 April 2008.

Francis, cual mula, no se moja, ni se lava las manos. Hace 22 años que se premió con un Nobel a la superconductividad de alta temperatura (descubierta en 1986). Hoy por hoy, ya se cuenta con un repertorio suficientemente amplio y variado de materiales con esta propiedad como para pensar que el secreto de estos materiales será desvelado en los próximos años. El cerco se está acotando. Lo dicho, ¿eres un físico joven buscando un tema de investigación candente? Adelante, es tu turno. Francis ya es viejo para reempezar desde cero.

Más en este blog sobre el complejo proceso de desvelar los secretos de la superconductividad:

Los “huecos” electrónicos se “desnudan” cuando se aparean en pares de Cooper hueco-hueco (Publicado por emulenews en Febrero 8, 2009).

El secreto de la superconductividad de alta temperatura cada día más próximo (Publicado por emulenews en Febrero 16, 2009).

Superconductividad observada en capas biatómicas de plomo (Publicado por emulenews en Mayo 7, 2009).

Superconductividad observada en capas biatómicas de plomo

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Fotografía por microscopio de efecto túnel de una capa biatómica de plomo superconductora a baja temperatura. (C) Science

Siempre he pensado que el secreto de la superconductividad de alta temperatura es la propagación de electrones formando pares de Cooper en las capas monoatómicas que forman dichos materiales. Pensarlo es muy bonito, pero ¿existen  los pares de Cooper en capas monoatómicas? Físicos tejanos han demostrado experimentalmente que capas biatómicas de plomo entre 3.4 y 7.5 grados Kelvin son superconductoras por el mecanismo convencional (BCS), es decir, existen pares de Cooper en dichas capas. No se comportan exactamente como los pares de Cooper en un sólido cristalino, ya que les influye mucho el substrato sobre el que están depositadas las capas ultrafinas de plomo. ¿Podrá este comportamiento “diferenciado” permitir explicar el comportamiento de los superconductores de alta temperatura? Es pronto todavía para afirmar nada al respecto, pero en mi opinión es una sorpresa para los especialistas el comportamiento observado para los pares de Cooper. Los teóricos tendrán que darle “al coco.” Como siempre, el experimento guiando a la teoría hacia el conocimiento sobre la realidad. El artículo técnico es Shengyong Qin, Jungdae Kim, Qian Niu, Chih-Kang Shih, “Superconductivity at the Two-Dimensional Limit,” Science Express, Published Online April 30, 2009 . En mi opinión personal este artículo dará mucho que hablar. Tiempo al tiempo.

PS: El artículo ya ha aparecido en Science 324: 1314-1317, 5 Junio 2009. La siguiente figura (compuesta de 2 figuras presentadas en dicho artículo) resume el resultado más importante obtenido. La figura de la izquierda muestra la temperatura de transición (a la que el material se vuelve superconductor) en funció del número de capas monoatómicas. Para más de 5 capas es prácticamente constante, crece un poco para 4 capas (no hay dato para 3 capas) y es mucho más baja para 2 capas. ¿Por qué la temperatura crítica decrece conforme el número de capas decrece? Los autores no lo saben. Hemos de recordar que este material de 2 capas monoatómicas se encuentra encima de un substrato (material no superconductor a ninguna temperatura). Los autores creen que dicho material puede influir. Habrá que esperar a simulaciones por ordenador o a nuevos experimentos con otros substratos para conocer en detalle este efecto. La figura de la derecha muestra la curva teórica según la teoría convencional de la superconductividad (BCS) para el el salto (gap) en conductividad del material en función de la temperatura. Se ve claramente que dicha teoría explica perfectamente el comportamiento observado, verificando que la superconductividad observada es completamente convencional. 

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