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

Dibujo20131111 detailed emission spectra - single-cooper-pair josephson laser

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.

Sigue leyendo

Superconductores cuya temperatura crítica es insensible a la densidad de portadores

Dibujo20130829 Anomalous independence of interface superconductivity from carrier density

El secreto de los superconductores de alta temperatura es uno de los problemas más importantes de la física teórica actual. Cada año se descubren nuevas e inesperadas propiedades de los cupratos y pnicturos. Se publica en Nature que hay cupratos cuya temperatura de transición Tc es insensible a la densidad de portadores. Se ha estudiado una estructura bicapa formada por una película de un cuprato aislante, La2CuO4, y otra de uno metálico, La2-xSrxCuO4, en la que se ha variado el porcentaje de dopado x entre 0,15 y 0,47; la sorpresa para los autores del estudio es la temperatura crítica Tc no cambia (aunque otras propiedades como la resistencia Hall cambian en un orden de magnitud). Nadie tiene una explicación a algo tan exótico e inesperado, que además pone en problemas varias teorías prometedoras para explicar los superconductores de alta temperatura. Lo apasionante de este campo es que conforme crece el número de experimentos, el número de incógnitas a resolver también crece. Sin lugar a dudas quien idee una teoría que explique el comportamiento superconductor de cupratos y pnicturos observado en los experimentos merecerá un Premio Nobel inmediato, pues habrá logrado explicar muchas más cosas que la mayoría de los laureados con este premio; aunque quizás no haya una única teoría, sino una red compleja de diversas teorías que explican la superconductivdad a alta temperatura en diversos materiales y en diversas circunstancias. El artículo técnico con el nuevo descubrimiento es J. Wu et al., “Anomalous independence of interface superconductivity from carrier density,” Nature Materials, Published online 04 August 2013.

Sigue leyendo

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.

Sigue leyendo

La física microscópica de los diodos superconductores de tipo Josephson

Dibujo20130719 Micrograph SQUID Josephson junction with spectrometer and suspended bridge

Un diodo Josephson está formado por dos superconductores separados por un aislante muy estrecho, tanto que las funciones de onda de los pares de Cooper a ambos lados se solapan produciendo una (super)corriente entre ambos por efecto túnel. El mecanismo microscópico responsable es la aparición de estados dobletes de Andreev cuyos niveles de energía están relacionados con la diferencia de fase entre los pares de Cooper a ambos lados del aislante. Se publica en Nature la primera observación experimental por espectroscopia de los estados dobletes de Andreev, que se comportan como fermiones (tienen espín 1/2) localizados a modo de “puentes” entre ambos superconductores. Bretheau et al. han detectado por primera vez estos estados usando la técnica de espectroscopia por absorción de fotones. Nos lo cuentan Simon Gustavsson y William D. Oliver, “Quantum physics: Andreev states taken to the next level,” Nature 499: 286–287, 18 Jul 2013, haciéndose eco del artículo técnico de L. Bretheau et al., “Exciting Andreev pairs in a superconducting atomic contact,” Nature 499: 312–315, 18 Jul 2013.

Sigue leyendo

Nueva fase exótica en los superconductores de alta temperatura

Dibujo201300606 electronic order - cuprates

En 1986 se descubrió la superconductividad de alta temperatura en cupratos (óxidos de cobre). En 1988 se predijo que en ellos, de forma espontánea, ciertos electrones se organizan en vórtices de corriente que actúan como un atasco de tráfico para el resto. En 1997 se calculó su efecto en los fonones (vibraciones de los iones que forman la estructura cristalina) esta nueva fase exótica de la materia. Gracias a ultrasonidos se ha medido dicho efecto confirmando esta predicción. ¿Podría estar relacionada con el origen de la superconductividad de alta temperatura? Gracias a la espectroscopía de resonancia por ultrasonidos, que realiza una ecografía del material, se observa que la nueva fase depende de la temperatura y del dopaje con “huecos” del material, afectando a la temperatura crítica del superconductor; se cree que los “atascos de tráfico” electrónico de la nueva fase exótica actúan como una especie de “pegamento” para los pares de Cooper responsables de la superconductividad. Aunque el origen de la nueva fase exótica de la materia no está claro y tampoco su acción detallada sobre los pares de Cooper, este nuevo descubrimiento experimental podría abrir una línea de ataque muy prometedora para resolver uno de los grandes misterios de la física actual, el origen de la superconductividad de alta temperatura. Por supuesto, serán necesarios nuevos estudios mediante ultrasonidos de la nueva fase en otros cupratos ya que este estudio se ha limitado a YBa2Cu3O6+δ. Nos lo cuenta Jan Zaanen, “High-temperature superconductivity: The sound of a hidden order,” Nature 498: 41–42, 06 Jun 2013, que se hace eco del artículo técnico de Arkady Shekhter et al., “Bounding the pseudogap with a line of phase transitions in YBa2Cu3O6+δ,” Nature 498: 75–77, 06 Jun 2013.

Sigue leyendo

Nota dominical: Qué teoría es la teoría BCS

Dibujo20130211 bcs theory - cooper pair of electrons - lengths

La teoría microscópica de la superconductividad basada en pares de Cooper, llamada teoría BCS porque fue publicada por Bardeen, Cooper y Schrieffer en 1957 [1], no es una teoría microscópica en sentido estricto, sino una teoría fenomenológica, ya que no explica cómo se aparean los electrones gracias a la interacción con los fonones (vibraciones cuánticas de la red cristalina). En el artículo original se aproxima el potencial de atracción entre los electrones por una constante y se asume que la densidad de cuasipartículas (pares de Cooper) es constante en la superficie de Fermi; ambas hipótesis son válidas sólo de forma aproximada. Hoy en día hay varias teorías “microscópicas” que explican o justifican estas aproximaciones. De hecho, la teoría microscópica de la superconductividad, stricto sensu, aún no ha sido descubierta. Por tanto, el término “teoría BCS” no se refiere a una única teoría microscópica de la superconductividad, sino que agrupa a un cierto número de teorías alternativas todas ellas fenomenológicas en cierto grado. Nos lo cuentan en detalle Alexander M Gabovich, Vladimir I Kuznetsov, “What do we mean when using the acronym ‘BCS’? The Bardeen–Cooper–Schrieffer theory of superconductivity,” Eur. J. Phys. 34: 371–382, 2013.

En la teoría BCS todos los electrones apareados constituyen un sistema colectivo con una única función de onda coherente, con lo que las propiedades de cada par de Cooper son sólo una aproximación. Cada par se comportaría como una cuasipartícula (llamada “cuasimolécula” en el artículo original) de tipo bosón, pero la individualidad de dicho par hay que ponerla en entredicho, ya que la longitud de onda de coherencia asociada a la función de onda colectiva de todos los pares es del orden del micrómetro, enorme comparada con la distancia entre átomos de la red cristalina (aunque la longitud de coherencia en algunos cupratos, superconductores de alta temperatura, es mucho más pequeña, del orden de nanómetros). Por ello, en sentido estricto no se puede hablar de un solo par de Cooper, sólo de todo el conjunto de pares de forma colectiva.

Afirmar que el estado superconductor BCS es equivalente a un estado condensado de Bose-Einstein (BEC) de pares de Cooper es abusar del lenguaje, aunque muchos libros de texto lo hagan (y yo mismo en este blog lo he hecho alguna que otra vez). Usar el término “condensación cuántica” para aludir a la transición de fase superconductora puede ser engañoso para los estudiantes universitarios, postgraduados e incluso para físicos profesionales que no trabajan en los fundamentos teóricos de la superconductividad.

Otro punto importante a tener en cuenta es que la teoría BCS original era una teoría de acoplo débil entre los fonones y los electrones que se aparean, de tal forma que la red no se ve afectada. Sin embargo, en muchos casos el acoplo es fuerte y los electrones que se aparean en realidad corresponden a cuasipartículas (los llamados “fermiones pesados”), debido a los cambios que el acoplo introduce en la propia red cuyos iones se mueven de forma periódica alterando la superficie en el espacio de energía que define el nivel de Fermi.

Todas estas razones nos recuerdan que la teoría BCS original es fenomenológica y por tanto no debería ser llamada teoría microscópica (término que se mantiene por tradición). Para rizar el rizo, en teoría de la superconductividad se utilizan dos adjetivos “exótico” y “no convencional” para hacer referencia a los comportamientos de los superconductores no descritos por la teoría BCS que tienen su origen en la física microscópica subyacente. En opinión de Gabovich y Kuznetsov, se debe aclarar a los estudiantes estas cuestiones terminológicas para que pueden entender la teoría BCS y su rango de aplicabilidad. Más aún, hay que recordarles que la teoría microscópica de la superconductividad no existe todavía y por ello no se entienden los materiales superconductores a alta temperatura. Los jóvenes deben ser conscientes de ello. Bueno, y los no tan jóvenes…

Falsa alarma: El grafito dopado con agua no es superconductor a temperatura ambiente

En febrero de 1974, K. Antonowicz publicó en Nature un artículo que sugería que un sandwich de aluminio-carbono-aluminio (Al-C-Al) se comportaba bajo un campo magnético, a temperatura ambiente, como un diodo superconductor de tipo Josephson, es decir, se comportaba como un material superconductor a temperatura ambiente. Todos los intentos de reproducir este resultado han fallado, hasta ahora. Un artículo en la revista Advanced Materials afirma que grafito en polvo, con un tamaño de grano de varias decenas de micrómetros, después de un tratamiento con agua pura, muestra un comportamiento similar bajo magnetización, es decir, muestra un comportamiento similar a un superconductor con una temperatura crítica superior a 300 K (hasta unos 100 ºC). En realidad, lo único que se ha demostrado es que los granos de grafito parecen comportarse magnéticamente como diodos de tipo Josephson (en estos diodos dicho comportamiento se debe a la interacción entre vórtices (o kinks) superconductores). Obviamente, afirmar que este comportamiento implica que el grafito (o el grafeno) se vuelve superconductor bajo estas circunstancias es exagerar mucho más de lo razonable. Lo siento por todos los que pensaban que ya había logrado el gran sueño del s. XXI, la superconductividad a temperatura ambiente. Hoy estamos en este asunto igual que en 1974. El nuevo artículo técnico es T. Scheike, W. Böhlmann, P. Esquinazi, J. Barzola-Quiquia, A. Ballestar, A. Setzer, “Can Doping Graphite Trigger Room Temperature Superconductivity? Evidence for Granular High-Temperature Superconductivity in Water-Treated Graphite Powder,” Advanced Materials, first published online 5 Sep. 2012. El artículo de 1974 en Nature es K. Antonowicz, “Possible superconductivity at room temperature,” Nature 247: 358-360, 08 February 1974.

Los autores mezclaron 100 mg de polvo de grafito ultra puro con 20 ml de agua destilada y agitaron durante 22 horas la mezcla a temperatura ambiente. El polvo resultante se filtró y se secó a 100 °C. Todas las muestras preparadas de este modo muestran una histéresis magnética, la curva que abre esta entrada, tanto a baja temperatura (5 K) como a temperatura ambiente (300 K). Según los autores del artículo, esta histéresis magnética es su única prueba del comportamiento superconductor a alta temperatura de las muestras analizadas, es decir, de la presencia de fluxones (vórtices de Josehpson o Abrikosov). Sin embargo, con perdón, yo no estoy de acuerdo. Estas figuras no demuestran en ningún caso el comportamiento superconductor de las muestras. Permíteme un dibujo sencillo (bien conocido por los expertos) para aclararlo.

Yo no soy experto (ni ciencia de materiales, ni en superconductividad), pero estas figuras muestran el ciclo de histéresis típico de un superconductor y de un material ferromagnético (no superconductor). La pregunta obvia es, ¿a qué se parecen más las figuras que abren esta entrada? Creo que no hay nada más que decir.

No entiendo cómo este artículo se puede haber publicado en Advanced Materials (índice de impacto JCR ISI 2011 de 13,877), pero la verdad es que hoy en día no me extraña. Cada día se ven más artículos “dudosos” (por no decir “falsos”) en revistas bien impactadas.

¿Cómo es posible entonces que en Nature News hayan afirmado que hay “indicios” de superconductividad a temperatura ambiente? En concreto Edwin Cartlidge, “‘Tantalizing’ hints of room-temperature superconductivity. Doped graphite may superconduct at more than 100 ºC.,” Nature News, 18 September 2012. No tengo ni idea, pero a Edwin le han metido un gol, o ha metido la pata hasta el fondo. Seguro que acabará con un buen tirón de orejas. Afirmar que “Researchers in Germany have claimed a breakthrough: a material that can act as a superconductor — transmit electricity with zero resistance — at room temperature and above,” es completamente falso. El artículo técnico no dice en ningún lugar que hayan medido la conductividad eléctrica de los granitos de grafito. Si lo hubieran hecho se habrían dado cuenta de que no es superconductor. No sé a qué científicos habrán consultado en Nature (“other physicists contacted by Nature say that the results, although tentative, merit further scrutiny”), pero el artículo no tiene por dónde cogerlo.

PS (20 sep. 2012): Una explicación para la curva de histéresis observada es el diamagnetismo del grafito puro combinado con el diagmanetismo del agua (pero se necesitan investigaciones específicas para aclararlo). También opina que esto tiene algo que ver Douglas Natelson,”Room temperature superconductivity? Probably not yet,” Nanoscale Views, Sep. 13, 2012.

También se hace eco de la noticia, como no, KFC, “Room Temperature Superconductivity Found in Graphite Grains,” The Physics arXiv Blog, Sept. 12, 2012, quien destaca que (de acuerdo con el autor principal del artículo, Esquinazi) que la curva de histéresis se explica si solo el 0,0001 por ciento de la masa del grafito dopado con agua es superconductor. Obviamente, KFC también recuerda que no se ha demostrado que haya resistencia cero, que haya efecto Meissner al aplicar un campo magnético externo y que haya una transición de fase. El gran problema es que para comprobarlo habrá que extraer y purificar el 0,0001 por ciento del material que es superconductor y hacerlo no parece nada fácil.

El vino tinto, el ácido tartárico y la superconductividad en pnicturos basados en hierro

“El año pasado un grupo de físicos japoneses acaparó los titulares al anunciar que podían inducir conductividad en una muestra de teluro de hierro al sumergirlo en vino tinto. Funciona también con otras bebidas alcohólicas pero el mejor sin duda era el vino tinto. La pregunta, por supuesto, es ¿por qué? ¿qué tiene el vino tinto que hace que funcione mejor? Los investigadores al fin han encontrado la respuesta, al menos en parte. Keita Deguchi, del Instituto Nacional para la Investigación de los materiales en Tsukuba, Japon, junto con algunos compañeros, afirman que el ingrediente misterioso es el ácido tartárico y que tienen los datos que demuestran de que desempeña un papel muy importante en el proceso. De los vinos que han probado el mejor es un vino elaborado con uva Gamay. Para los entendidos en vino es un Beajoulais del 2009 de la bodega Paul Beaudet de Francia.” Traducción de mandelbr0t para Menéame de KFC, “Red Wine, Tartaric Acid, and the Secret of Superconductivity,” The Physics arXiv Blog, Mar. 22, 2012. El nuevo artículo es Keita Deguchi, Tohru Okuda, Yasuna Kawasaki, Hiroshi Hara, Satoshi Demura, Tohru Watanabe, Hiroyuki Okazaki, Toshinori Ozaki, Takahide Yamaguchi, Hiroyuki Takeya, Fumie Saito, Masashi Hisamoto, Yoshihiko Takano, “Tartaric acid in red wine as one of the key factors to induce superconductivity in FeTe0.8S0.2,” arXiv:1203.4503; y el artículo del año pasado era K Deguchi, Y Mizuguchi, Y Kawasaki, T Ozaki, S Tsuda, T Yamaguchi, Y Takano, “Alcoholic beverages induce superconductivity in FeTe1-xSx,” arXiv:1008.0666. Permíteme copiar aquí mi comentario en Menéame.

“Tras fabricar el material (FeTe0.8S0.2 tras un proceso de calentamiento a 600 ºC durante 10 horas) se sumerge una pequeña pastilla (pellet) en una botella de 20 ml rellena con el vino (o con otras bebidas alcohólicas), que calientan a 70 °C durante 24 horas. Después sacan la muestra (pellet) de la botella y estudian sus propiedades superconductoras cuando la enfrían a pocos grados sobre el cero absoluto (suben la temperatura desde 2 K hasta unos 10 K para determinar la temperatura crítica a la que deja de ser superconductora). El nuevo artículo ha observado que los vinos que tienen más ácido tartárico logran dotar a la muestra de FeTe0.8S0.2 de una temperatura crítica más grande. Para verificarlo, en lugar de vino han sumergido el material en ácido tartárico y han verificado su hipótesis, pero la temperatura crítica que se observa es menor que la observada con vino tinto, por lo que debe haber otros factores que influyen.”

El primer artículo fue muy popular en la web, por ejemplo, Maikelnai, “De vino y superconductores,” Amazings.es, 13 enero 2011; Miguel acaba magistralmente con un “¡Qué ironía! A algunos superconductores parece sentarles bien el vino, mientras que los conductores no deberían ni probarlo.”

En aquella ocasión, yo hice unas breves aclaraciones, que copio aquí.  “El material utilizado es FeTe0.8S0.2 policristalino, que no es superconductor sin impurezas. Hay que exponerlo a algún tipo de impureza. Basta exponerlo al aire o a agua para volverlo superconductor, pero lo mejor es calentarlo primero. La mejor manera de volver superconductor a este material es calentarlo en una atmósfera de oxígeno a 200 ºC. La temperatura de transición es de 8’5 K y se alcanza una fracción de volumen superconductor de casi el 100%.

Los japoneses (quizás buscando un IgNobel) han expuesto el material a bebidas alcohólicas calentadas a 70 ºC durante 24 horas. Y luego han medido la superconductividad, descubriendo que la temperatura de transición al estado superconductor es casi la misma en todos los casos (entre 7’1 K y 7’8 K), pero el porcentaje de material que logra ser superconductor (del que depende la conductividad eléctrica) es más alto con vino tinto (62’4%), seguido de vino blanco (46’8%), cerveza (37’8%), sake (35’8 %), whisky (34’4 %), shochu (23’1 %), y finalmente etanol mezclado en agua en diferentes proporciones (que solo logra hacer superconductor alrededor del 10 % del material).

Obviamente, el etanol no es el responsable del incremento de la superconductividad, sino otras substancias que se encuentran en las diferentes bebidas. ¿Cuál es la causa? Los autores del estudio creen que la causa es el contenido de oxígeno en la bebida… pero no están seguros. La verdad sea dicha, no creo que se molesten en averiguarlo…”

Por lo que parecen, sí se han molestado en averiguarlo. Y más aún, sin la respuesta definitiva, seguirán trabajando en ello.

“Habrá un nuevo artículo en los próximos meses sobre este mismo tema con una nueva substancia química “responsable” del efecto observado.”

Twitter esconde en un falso récord la reemergencia de la superconductividad en pnicturos bajo presión

El pasado 22 de febrero Twitter vibró con una noticia aparentemente espectacular, se había batido un nuevo récord de temperatura para un material superconductor (yo me enteré gracias a Mauricio @mezvan). Obviamente, ojeé el artículo original y le aclaré en un tuit de respuesta que no se había batido el récord en cupratos (unos 254 K) sino en pnicturos (el récord de la noticia era de solo 48 K). Sin embargo, nadie se enteró en Twitter de mi aclaración y todo el mundo retuiteó la noticia de Zeeya Merali, “Superconductor breaks high-temperature record,” Nature News, 22 Feb. 2012, sin leer la segunda línea “Iron-based crystal regains conducting properties under pressure.”  Si en Nature News ponen como titular que es un récord en superconductores es porque es un récord en superconductores y punto, diga Francis lo que quiera. Así tiene que ser. Iba a escribir una entrada, pero me dije, para qué llevarle la contraria a todo el mundo. Pero ahora, al leer de nuevo el artículo técnico, publicado oficialmente en el número de hoy de Nature, me doy cuenta de que es un artículo muy interesante y que abre una línea de investigación prometedora a la hora de entender la superconductividad en pnicturos. Permíteme una aclaración al respecto, pero antes, el artículo técnico, que tiene un título muy esclarecedor, Liling Sun et al., “Re-emerging superconductivity at 48 kelvin in iron chalcogenides,” Nature 483: 67–69, 01 March 2012. Relee el título del artículo de nuevo, mira la imagen que abre esta entrada, no me puedes negar que es un resultado espectacular. Todo el revuelo provocado en Twitter entre el 22 y 24 de febrero es más que merecido. Pero no por batir un récord de chorra sino por lo que puede significar lo que han observado.

Un superconductor bajo presión reduce su temperatura crítica y si la presión aumenta acaba dejando de ser superconductor. Este fenómeno le ocurre a los cupratos y se pensaba que también a todos los pnicturos. Pero ahora resulta que estos científicos chinos han descubierto pnicturos (cristales de Tl0.6Rb0.4Fe1.67Se2, K0.8Fe1.7Se2 y K0.8Fe1.78Se2 crecidos mediante el método de Bridgman) cuya temperatura crítica (Tc) decrece con la presión aplicada desde unos 33 K a 1,6 GPa hasta anularse cerca de 9 GPa, para luego reemerger como ave fénix y alcanzar un increíble valor de Tc = 48,0 K a 12,4 GPa. La figura que abre esta entrada dejará boquiabierto a cualquiera. Aumentando aún más la presión, la superconductividad desaparece alrededor de los 13,2 GPa. ¿Cómo es posible? Un pnicturo con dos fases superconductoras SC-I y SC-II separadas por un estado no superconductor y cuyo parámetro de control es el incremento de la presión. ¡Increíble! ¿Cómo es posible? ¿Qué secreto se oculta bajo un fenómeno tan extraño? Un fenómeno que no podía ser imaginado por ningún físico teórico especialista en este campo. ¿Qué ideas teóricas serán necesarias para explicar este comportamiento? ¿Será típico de todos los pnicturos? ¿Habrá algún cuprato que presente dicho comportamiento? Infinidad de preguntas ocultas tras una serie de tuits alrededor de un titular sensacionalista y erróneo.

El secreto oculto tras la superconductividad de alta temperatura solo podrá ser desvelado gracias a hechos insólitos, inesperados, que rayan lo imposible. Hace 25 años un Premio Nobel fue concedido al descubrimiento experimental de un fenómeno cuya explicación resbala entre los dedos de los expertos como el agua fría del torrente. ¿Qué joven se atreverá a explicar el nuevo fenómeno descubierto por Sun et al. publicado en Nature?

Por cierto, he puesto un título horrendo a esta entrada a propósito. Si en Twitter se mofan del título, será la mejor manera de llamar la atención sobre uno de los grandes descubrimientos científicos del año 2012. Ya me daréis la razón en diciembre.

El secreto de la superconductividad a alta temperatura en cupratos

No, yo no atesoro el secreto. Lo siento. Nadie conoce aún el secreto de la superconductividad de alta temperatura en cupratos (compuestos de óxido de cobre), descubierta hace 25 años. Sin embargo, dos artículos recientes, uno en Nature y otro en Science, apuntan a que el secreto está en explicar el diagrama de fase electrónica genérico para los cupratos mostrado en la figura de arriba. Los jóvenes que sueñen con desvelar este secreto deben aprenderse bien este diagrama de fase y todos sus detalles. Paul Michael Grant afirma en Nature que todo apunta a que el secreto se oculta en este diagrama de fase genérico que ha costado 25 años reconstruir. ¿Qué relación hay entre el estado superconductor y el punto crítico cuántico (g* en la figura)? ¿Cómo es posible que el estado superconductor pueda aparecer tanto en un aislante de Mott como en un metal? ¿Se descubrirá pronto la respuesta? Nos lo cuenta Paul Michael Grant, “High–temperature superconductivity: The great quantum conundrum,” Nature 476: 37–39, 04 August 2011; que se hace eco de los artículos de K. Jin et al., “Link between spin fluctuations and electron pairing in copper oxide superconductors,” Nature 476: 73–75, 04 August 2011, y Rui-Hua He et al., “From a Single-Band Metal to a High-Temperature Superconductor via Two Thermal Phase Transitions,” Science 331: 1579-1583, 25 March 2011; el primero de ellos estudia el diagrama de fase electrónica para los cupratos dopados con átomos tipo p (aceptores de electrones o dadores de huecos) y el segundo el de los dopados con átomos tipo n (dadores de electrones). En opinión de Grant, la coincidencia entre los diagramas de fase electrónica de los cupratos en ambos casos oculta la clave para entender la superconductividad de alta temperatura.

Quizás quieras una explicación de la figura, no soy experto en física del estado sólido, pero trataré de aclararla un poco. La figura muestra lo que se cree que es el diagrama de fase electrónica genérico de un cuprato (superconductor basado en óxido de cobre); estos materiales cuando no son superconductores se comportan como perovskitas. El diagrama de fase electrónica es parecido a un diagrama de fase convencional que representa los diferentes estados de un material. El diagrama de fase convencional tiene en el eje vertical la presión y en el horizontal la temperatura; presenta puntos triples (en los que coexisten los estados sólido, líquido y gaseoso) y puntos críticos (clásicos) en los que las propiedades que separan dos fases se diluyen (en el caso del agua, la curva que separa las fases de vapor y de líquido se detiene en un punto crítico más allá del cual el agua se comporta como un fluido supercrítico que tiene propiedades tanto de los líquidos como de los gases).

En el diagrama de fase electrónica, el eje vertical muestra la temperatura (T) y el horizontal la densidad de carga eléctrica local (g), cuyo origen es el dopado del material (también puede ser la presión a la que está sometido). Según la teoría de bandas para explicar la conductividad de los sólidos, los cupratos deberían ser siempre metales, pero no lo son, también pueden ser aislantes antiferromagnéticos de Mott, en los que los cationes (átomos) metálicos adyacentes tienen espines opuestos. La superconductividad de alta temperatura se descubrió al dopar estos materiales con un metal tipo p, que introduce huecos en su estructura de bandas, destruyendo el orden antiferromagnético y creando dos estados de conducción, uno normal y otro superconductor. También ocurre cuando se dopan con un metal tipo n, que introduce electrones en lugar de huecos.

Retornando a la figura. Los estados que se observan en este diagrama genérico para un cuprato son, de izquierda a derecha y alta temperatura: un aislante antiferromagnético tipo Mott (azul claro); un estado (morado) en el que los portadores de mueven (conducen) pero “recuerdan” su origen antiferromagnético (aislante), por lo que en lugar de un salto (gap) entre las bandas de conducción y valencia aparece un “pseudosalto” (pseudogap); finalmente, un estado metálico conductor (rosa), que pasa de tener una dependencia de la resistencia eléctrica (R) proporcional a la temperatura, a una dependencia proporcional a la temperatura al cuadrado. A temperatura nula, en el cero absoluto, de izquierda a derecha, conforme g crece, el material pasa de ser aislante a ser conductor al atravesar un punto crítico cuántico (g*). El régimen superconductor (verde) contiene al punto crítico cuántico y tiene frontera con todas las fases elecrónicas del material. Explicar cómo es esto posible permitirá desvelar el secreto de la superconductividad de alta temperatura. 

Según Grant, el secreto se encuentra oculto en la ecuación de Schrödinger para un sistema de muchos cuerpos (electrones y núcleos) en interacción, incluyendo el efecto del espín. La ecuación central de la “teoría de todo,” la teoría que describe toda la química, todo la física, toda la biología y todo lo que nos rodea. A partir de esta ecuación emergen la vida, el clima, los teléfonos móviles y la superconductividad de alta temperatura. El problema es que nadie puede resolver esta ecuación para un gran número de partículas (un número comparable al número de Avogadro).

Phil W. Anderson, Premio Nobel de Física 1977, el físico más creativo de toda la historia según el estudio bibliométrico del español José M. Soler [DOI], “el descubrimiento de la superconductividad de alta temperatura en un aislante antiferromagnético fue un afortunado accidente.” La fortuna también tendrá que estar de parte de quien descubra el secreto del diagrama de fase electrónica genérico de los cupratos.