Estado de la materia exótico y superconductividad

Mediante el uso de átomos ultraenfriados, investigadores del Center for Quantum Dynamics de la Universidad de Heidelberg han encontrado un estado exótico de la materia en el que las partículas se emparejan cuando son limitadas a dos dimensiones. El descubrimiento podría llevar a la resolución de algunas dudas sobre el fenómeno de la superconductividad.

Los superconductores son materiales en los que, al ser enfriados por debajo de una cierta temperatura crítica característica del material, los electrones pueden fluir sin resistencia. Aún no se entienden demasiado los materiales superconductores más relevantes, aquellos con las temperaturas críticas más altas, y por tanto más fáciles de alcanzar. Estos superconductores de alta temperatura tienen estructuras laminares, es decir, los electrones se mueven en dos dimensiones. También, hay evidencias que muestran que cierto tipo de partículas, los fermiones, se deben emparejar para que la superconductividad pueda ocurrir. Sin embargo, según nos explica el Dr. Selim Jochim, responsable del proyecto, lo que no se entendía era como la interacción entre la dimensionalidad y el emparejamiento puede llevar a mayores temperaturas críticas.

Puneet Murthy, estudiante doctorando del grupo de investigación, y uno de los autores principales de la publicación, explica que, debido a que materiales sólidos, como los óxidos de cobre, pueden tener impurezas y efectos que dificulten el estudio, han usado un gas de átomos ultraenfriados confinado en trampas bidimensionales creadas mediante el uso de láseres. Esto ha permitido crear muestras muy puras y tener control total sobre los parámetros esenciales del sistema.

Mediante el uso de espectroscopía de radiofrecuencia, los investigadores pueden medir la respuesta de los átomos a pulsos de ondas de radio. De esta respuesta pueden conocer si las partículas están emparejadas o no, y en que manera. En el transcurso de los experimentos con esta técnica los investigadores descubrieron un estado exótico de la materia. Según la teoría, los fermiones con interacción débil deben emparejarse a la temperatura a la que el material se vuelve superconductor. Sin embargo, cuando los científicos han aumentado la interacción entre fermiones, han observado que se forman emparejamientos a temperaturas mucho mayores que la temperatura crítica propia del material.

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Ilustración realizada por Puneet Murthy

En un escenario conocido, el emparejamiento ocurre únicamente por la atracción entre dos fermiones (líneas verdes). Sin embargo, con interacciones entre fermiones fuertes, un tipo de emparejamiento diferente ocurre, que depende en gran medida de la densidad del medio (zonas sombreadas). Esto sugiere que en este estado, cada partícula no sólo se empareja con otra partícula, sino que también ocurren correlaciones adicionales con otras partículas en sus alrededores.

Según no explica el profesor Jochim, para conseguir el objetivo definitivo de entender estos fenómenos, empezarán a trabajar con sistemas que ellos mismos crearán átomo por átomo.

Para más información:

A. Murthy, M. Neidig, R. Klemt, L. Bayha, I. Boettcher, T. Enss, M. Holten, G. Zuern, P. Preiss, S. Jochim: High Temperature Pairing in a strongly interacting two-dimensional Fermi gas. Science (published online on 21 December 2017), doi: 10.1126/science.aan5950

 

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