Los científicos cuánticos han descubierto un fenómeno en el bronce púrpura que podría ser la clave para desarrollar un “interruptor perfecto” en dispositivos cuánticos que alterne entre ser un aislante y un superconductor.

La investigación, dirigida por la Universidad de Bristol y publicada en CienciaDescubrió que estos dos estados electrónicos opuestos existen en el bronce púrpura, un metal unidimensional único compuesto por cadenas de átomos conductores individuales.

Pequeños cambios en el material, causados ​​por ejemplo por un pequeño estímulo como el calor o la luz, pueden desencadenar una transición instantánea de un estado aislante con conductividad cero a un estado superconductor con conductividad ilimitada y viceversa. Esta versatilidad polarizada, conocida como «simetría emergente», tiene el potencial de ofrecer un interruptor de encendido/apagado ideal en futuros desarrollos de tecnología cuántica.

La imagen muestra una representación de simetría emergente, mostrando una gota de agua perfectamente simétrica emergiendo de una capa de nieve. Los cristales de hielo en la nieve, por el contrario, tienen una forma compleja y, por tanto, una simetría menor que la de la gota de agua. El color violeta denota el material de bronce violeta en el que se descubrió este fenómeno. Crédito: Universidad de Bristol

Un viaje de 13 años

El autor principal Nigel Hussey, profesor de Física en Universidad de Bristoldijo: “Es un descubrimiento realmente emocionante que podría proporcionar un punto de inflexión perfecto para los dispositivos cuánticos del mañana.

«Este notable viaje comenzó hace 13 años en mi laboratorio, cuando dos estudiantes de doctorado, Xiaofeng Xu y Nick Wakeham, midieron la magnetorresistencia (el cambio en la resistencia causado por un campo magnético) del bronce púrpura».

En ausencia de un campo magnético, la resistencia del bronce violeta dependía en gran medida de la dirección en la que se introducía la corriente eléctrica. Su dependencia de la temperatura también era bastante complicada. Cerca de la temperatura ambiente, la resistencia es metálica, pero a medida que la temperatura disminuye, esto se invierte y el material parece convertirse en un aislante. Luego, a temperaturas más bajas, la resistencia vuelve a caer a medida que pasa a ser un superconductor. A pesar de esta complejidad, sorprendentemente la magnetorresistencia resultó ser extremadamente simple. Era esencialmente lo mismo independientemente de en qué dirección estuviera alineada la corriente o el campo y seguía una dependencia lineal perfecta de la temperatura desde la temperatura ambiente hasta la temperatura de transición superconductora.

“Al no encontrar una explicación coherente para este comportamiento desconcertante, los datos permanecieron inactivos e inéditos durante los siguientes siete años. Una brecha como esta es inusual en la investigación cuántica, aunque la razón no es la falta de estadísticas”, explicó el profesor Hussey.

«Esta simplicidad en la respuesta magnética invariablemente desmiente un origen complejo y, resulta que su posible resolución sólo ocurriría a través de un encuentro casual».

Un encuentro casual conduce al avance

En 2017, el profesor Hussey trabajaba en la Universidad de Radboud y vio anunciado un seminario del físico Dr. Piotr Chudzinski sobre el tema del bronce púrpura. En aquel momento, pocos investigadores dedicaron un seminario completo a este material poco conocido, por lo que se despertó su interés.

El profesor Hussey dijo: “En el seminario, Chudzinski propuso que el aumento resistivo puede ser causado por la interferencia entre los electrones de conducción y las esquivas partículas compuestas conocidas como ‘excitones oscuros’. Hablamos después del seminario y juntos propusimos un experimento para probar su teoría. Nuestras mediciones posteriores esencialmente lo confirmaron”.

Animado por este éxito, el profesor Hussey resucitó los datos de magnetorresistencia de Xu y Wakeham y se los mostró al Dr. Chudzinski. Las dos características centrales de los datos (linealidad con la temperatura e independencia en la orientación de la corriente y del campo) intrigaron a Chudzinski, al igual que el hecho de que el material en sí puede exhibir un comportamiento aislante y superconductor, dependiendo de cómo se cultivó.

El Dr. Chudzinski se preguntó si, en lugar de transformarse completamente en un aislante, la interacción entre los portadores de carga y los excitones que introdujo anteriormente podría hacer que los primeros gravitaran hacia el límite entre los estados aislante y superconductor a medida que se reduce la temperatura. En la frontera misma, la probabilidad de que el sistema sea un aislante o un superconductor es esencialmente la misma.

El profesor Hussey dijo: «Esta simetría física es una situación inusual y desarrollar tal simetría en un metal a medida que se reduce la temperatura, de ahí el término ‘simetría emergente’, constituiría una primicia mundial».

Los físicos conocen bien el fenómeno de la ruptura de la simetría: reducir la simetría de un sistema electrónico al enfriarse. La compleja disposición de las moléculas de agua en un cristal de hielo es un ejemplo de esta simetría rota. Pero lo contrario es un hecho extremadamente raro, si no único. Volviendo a la analogía agua/hielo, es como si, al enfriar aún más el hielo, la complejidad de los cristales de hielo se “derretiera” una vez más en algo tan simétrico y suave como una gota de agua.

Simetría emergente: un fenómeno poco común

El Dr. Chudzinski, ahora investigador de la Queen’s University de Belfast, dijo: “Imagínese un truco de magia en el que una figura aburrida y distorsionada se transforma en una hermosa esfera perfectamente simétrica. Ésta, en pocas palabras, es la esencia de la simetría emergente. La figura en cuestión es nuestro material, el bronce púrpura, mientras que nuestro mago es la naturaleza misma”.

Para comprobar más a fondo si la teoría contenía agua, otro estudiante de doctorado, Maarten Berben, que trabaja en la Universidad de Radboud, investigó otros 100 cristales individuales, algunos aislantes y otros superconductores.

El profesor Hussey añadió: “Después del esfuerzo hercúleo de Maarten, la historia quedó completa y se hizo evidente la razón por la que diferentes cristales exhibían estados fundamentales tan diferentes. De cara al futuro, tal vez sea posible explotar este «nerviosismo» para crear interruptores en circuitos cuánticos, donde pequeños estímulos inducen cambios profundos de órdenes de magnitud en la resistencia del interruptor.

Referencia: “Simetría emergente en un superconductor de baja dimensión en el borde de Mottness” por P. Chudzinski, M. Berben, Xiaofeng Xu, N. Wakeham, B. Bernáth, C. Duffy, RDH Hinlopen, Yu-Te Hsu, S Wiedmann , P. Tinnemans, Rongying Jin, M. Greenblatt y NE Hussey, 16 de noviembre de 2023, Ciencia.
DOI: 10.1126/ciencia.abp8948