Una mirada más cercana a los superconductores

Desde la energía sostenible hasta las computadoras cuánticas: los superconductores de alta temperatura tienen el potencial de revolucionar las tecnologías actuales. Sin embargo, a pesar de las intensas investigaciones, todavía carecemos de los conocimientos básicos necesarios para desarrollar estos complejos materiales para su aplicación generalizada. La "espectroscopia de Higgs" podría marcar un hito al revelar la dinámica de los electrones emparejados en los superconductores. Un consorcio internacional de investigación centrado en el Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) y el Instituto Max Planck de Investigación del Estado Sólido (MPI-FKF) presenta ahora el nuevo método de medición en Comunicaciones de la Naturaleza. Sorprendentemente, la dinámica también revela los típicos precursores de la superconductividad incluso por encima de la temperatura crítica a la que los materiales investigados alcanzan la superconductividad.

Los superconductores transportan la corriente eléctrica sin pérdida de energía. Utilizarlos podría reducir drásticamente nuestros requerimientos de energía - si no fuera por el hecho de que la superconductividad requiere temperaturas de -140 grados centígrados e inferiores. Los materiales sólo "encienden" su superconductividad por debajo de este punto. Todos los superconductores conocidos requieren elaborados métodos de enfriamiento, lo que los hace poco prácticos para los propósitos cotidianos. Hay una promesa de progreso en los superconductores de alta temperatura como los cupratos - materiales innovadores basados en el óxido de cobre. El problema es que, a pesar de muchos años de esfuerzos de investigación, su modo exacto de funcionamiento sigue sin estar claro. La espectroscopia de Higgs podría cambiar eso.

La espectroscopia de Higgs permite nuevos conocimientos sobre la superconductividad de alta temperatura

"La espectroscopia de Higgs nos ofrece una nueva 'lupa' para examinar los procesos físicos", informa el Dr. Jan-Christoph Deinert. El investigador del Instituto HZDR de Física de la Radiación está trabajando en el nuevo método junto con colegas del MPI-FKF, las Universidades de Stuttgart y Tokio, y otras instituciones internacionales de investigación. Lo que los científicos están más interesados en descubrir es cómo los electrones forman pares en los superconductores de alta temperatura.

En la superconductividad, los electrones se combinan para crear "pares de Cooper", lo que les permite moverse a través del material en pares sin ninguna interacción con su entorno. ¿Pero qué hace que dos electrones se emparejen cuando su carga hace que se repelan entre sí? Para los superconductores convencionales, hay una explicación física: "Los electrones se emparejan debido a las vibraciones de la red cristalina", explica el Prof. Stefan Kaiser, uno de los principales autores del estudio, que está investigando la dinámica de los superconductores en el MPI-FKF y en la Universidad de Stuttgart. Un electrón distorsiona la red cristalina, que luego atrae al segundo electrón. Para los cupratos, sin embargo, hasta ahora no ha quedado claro qué mecanismo actúa en lugar de las vibraciones de la red. "Una hipótesis es que el emparejamiento se debe a los giros fluctuantes, es decir, a la interacción magnética", explica Kaiser. "Pero la pregunta clave es: ¿Puede su influencia en la superconductividad y en particular en las propiedades de los pares de Cooper ser medida directamente?"

En este punto, las "oscilaciones de Higgs" entran en escena: En la física de alta energía, explican por qué las partículas elementales tienen masa. Pero también se producen en los superconductores, donde pueden ser excitadas por fuertes pulsos de láser. Representan las oscilaciones del parámetro de orden - la medida del estado superconductor de un material, en otras palabras, la densidad de los pares de Cooper. Hasta aquí llegó la teoría. Una primera prueba experimental tuvo éxito hace unos años cuando los investigadores de la Universidad de Tokio utilizaron un pulso de luz ultracorta para excitar las oscilaciones de Higgs en los superconductores convencionales - como la puesta en marcha de un péndulo. Sin embargo, para los superconductores de alta temperatura, tal pulso único no es suficiente, ya que el sistema es amortiguado demasiado por las interacciones entre los electrones superconductores y no superconductores y la complicada simetría del parámetro de ordenamiento.

La fuente de luz de Terahertz mantiene el sistema oscilante

Gracias a la espectroscopia de Higgs, el consorcio de investigación en torno a MPI-FKF y HZDR ha logrado ahora el avance experimental para los superconductores de alta temperatura. Su truco fue utilizar un pulso de terahercios multicíclico y extremadamente fuerte que está óptimamente sintonizado con la oscilación de Higgs y puede mantenerlo a pesar de los factores de amortiguación, empujando continuamente el péndulo metafórico. Con la fuente de luz de terahercio de alto rendimiento TELBE en la HZDR, los investigadores son capaces de enviar 100.000 pulsos de este tipo a través de las muestras por segundo. "Nuestra fuente es única en el mundo debido a su alta intensidad en el rango de terahercios combinada con una tasa de repetición muy alta", explica Deinert. "Ahora podemos impulsar selectivamente las oscilaciones de Higgs y medirlas con mucha precisión."

Este éxito se debe a la estrecha cooperación entre los científicos teóricos y experimentales. La idea se incubó en la MPI-FKF; el experimento fue llevado a cabo por el equipo de TELBE, dirigido por el Dr. Jan-Christoph Deinert y el Dr. Sergey Kovalev en la HZDR bajo el entonces líder del grupo, el Prof. Michael Gensch, que ahora investiga en el Centro Aeroespacial Alemán y en la Universidad Técnica de Berlín: "Los experimentos son de particular importancia para la aplicación científica de las instalaciones de investigación a gran escala en general. Demuestran que una fuente de terahercios de alta potencia como TELBE puede manejar una investigación compleja usando espectroscopia de terahercios no lineal en una serie complicada de muestras, como los cupratos".

Es por eso que el equipo de investigación espera ver una alta demanda en el futuro: "La espectroscopia de Higgs como enfoque metodológico abre potenciales completamente nuevos", explica el Dr. Hao Chu, autor principal del estudio y postdoctorado en el Centro de Materiales Cuánticos Max Planck-UBC-UTokyo. "Es el punto de partida de una serie de experimentos que proporcionarán nuevos conocimientos sobre estos complejos materiales. Ahora podemos tomar un enfoque muy sistemático."

Justo por encima de la temperatura crítica: ¿Dónde empieza la superconductividad?

Realizando varias series de mediciones, los investigadores probaron primero que su método funciona para los cupratos típicos. Por debajo de la temperatura crítica, el equipo de investigación no sólo fue capaz de excitar las oscilaciones de Higgs, sino que también demostró que una nueva excitación, no observada previamente, interactúa con las oscilaciones de Higgs de los pares de Cooper. Experimentos posteriores tendrán que revelar si estas interacciones son interacciones magnéticas, como se debate ferozmente en los círculos de expertos. Además, los investigadores vieron indicaciones de que los pares de Cooper también pueden formarse por encima de la temperatura crítica, aunque sin oscilar juntos. Otros métodos de medición han sugerido previamente la posibilidad de esa formación temprana de pares. La espectroscopia de Higgs podría apoyar esta hipótesis y aclarar cuándo y cómo se forman los pares y qué hace que oscilen juntos en el superconductor.