Un campo magnético convierte un superconductor manual en un estado nemático similar al del cristal líquido
Investigadores del Instituto Max Planck de Estructura y Dinámica de la Materia (MPSD) de Hamburgo y de la Universidad RWTH de Aquisgrán han sugerido una sorprendente conexión entre el comportamiento nemático de un superconductor en un campo magnético -un estado que se asemeja a los cristales líquidos utilizados en las pantallas LCD- y su estado básico en espiral en ausencia del campo. Su teoría no sólo podría explicar los recientes experimentos sobre el grafeno bicapa retorcido en el llamado ángulo mágico, sino que también apuntaría a posibles aplicaciones en la computación cuántica topológica.
Panel izquierdo: Estructura en forma de flor del parámetro de orden superconductor en uno de los posibles estados superconductores no convencionales, que sólo vuelve a sí mismo cuando se gira en múltiplos de 180 grados. Panel de la derecha: Esfera de Bloch que muestra diferentes estados del parámetro de orden superconductor. El polo sur representa el estado de la mano izquierda (una mezcla específica de dos estados diferentes en forma de flor como el que se muestra en el panel izquierdo), y el polo norte su imagen especular de la mano derecha. Bajo un campo magnético, el sistema se ve forzado a entrar en un estado no manual, pero nemático (flecha roja en el ecuador).
Tao Yu, MPSD
En los superconductores convencionales -materiales que conducen la electricidad sin pérdidas- la función de onda colectiva de los electrones superconductores del material (el "parámetro de orden superconductor") tiene el mismo aspecto en todas las direcciones del espacio. Como un círculo, puede girar sin cambiar su forma. En cambio, los superconductores no convencionales tienen un parámetro de orden que no se parece a un círculo, sino que puede tener lóbulos como una flor y sólo vuelve a ser el mismo cuando se gira en determinados ángulos (véase la figura, panel izquierdo). Estos parámetros de orden no convencionales pueden incluso combinarse para formar estados de mano en forma de espiral. Se trata de estados que -como las manos izquierda y derecha- no se ven igual en un espejo, sino que un estado diestro se convierte en uno zurdo como su imagen en el espejo, y viceversa.
Ahora, el investigador postdoctoral Tao Yu, del grupo Emmy Noether del MPSD, y sus colegas proponen la teoría de que estos estados en espiral pueden perder su carácter diestro y alcanzar el estado nemático cuando se exponen a un campo magnético. En el estado nemático, conocido por las pantallas de cristal líquido, las moléculas largas se alinean para apuntar todas en la misma dirección, como si fueran pequeñas agujas en un campo magnético. En el superconductor, la consecuencia de este estado nemático es que los electrones transportan mejor la electricidad en una dirección (de izquierda a derecha) que en la otra (de arriba a abajo). "Imagina que tienes un círculo con una flecha a lo largo de su borde, por ejemplo un reloj en el que la flecha muestra la rotación de las agujas del reloj", explica Yu. "Ahora empiezas a comprimir el reloj empujando desde la izquierda y la derecha hasta que lo has comprimido completamente en una línea. En este punto, ya no se puede distinguir la mano porque las posiciones de las 9 y las 3 son idénticas". El campo magnético aprieta efectivamente el superconductor de mano hasta que sus electrones prefieren moverse en la misma dirección.
La física también puede ilustrarse con la esfera de Bloch (véase la figura, panel derecho), que está formada por todas las formas y orientaciones diferentes del reloj. "El polo sur es el reloj habitual con rotación de agujas hacia la izquierda. El polo norte es su imagen especular. El ecuador tiene diferentes orientaciones de los estados nemáticos sin lateralidad. El efecto del campo magnético sobre el material consiste en desplazar la flecha de uno de los polos al ecuador en esta imagen", dice Yu.
El interés de los teóricos por este problema surgió a raíz de un experimento reciente del grupo de Pablo Jarillo-Herrero, del Instituto Tecnológico de Massachusetts, publicado en Science a principios de este año. En él, los investigadores observaron un comportamiento nemático en el grafeno bicapa retorcido en ángulo mágico que fue expuesto a un campo magnético. El grafeno bicapa retorcido es uno de los materiales más estudiados y fascinantes de los últimos años. "Aquel artículo no establecía la conexión entre el comportamiento nemático observado y los estados de entrega subyacentes", afirma Dante Kennes, coautor del estudio y profesor de la Universidad RWTH de Aquisgrán. "Queda por ver si nuestra teoría explica la nematicidad en el grafeno de ángulo mágico o si tiene algún otro origen. Esto requerirá más experimentos. Sin embargo, nuestra teoría no sólo se aplica a este material, sino que es más general".
Michael Sentef, jefe de grupo de Emmy Noether en el MPSD y autor principal del estudio, afirma que se trata de resultados potencialmente revolucionarios: "Intrigantemente, el experimento puede haber revelado una evidencia indirecta de la superconductividad manual, que sería enorme, si se confirma". Sin embargo, añade, también ilustra una cuestión más fundamental: "Lo que me parece igualmente fascinante es cómo se concibió la idea. Tao trabajaba en la manipulación óptica de los estados de mano, en la que demostramos que la condición de mano puede invertirse mediante pulsos láser, una idea desarrollada por algunos de nosotros hace unos años (véase este comunicado de prensa). Cuando vio el artículo del grupo Jarillo-Herrero, conectó los puntos y se dio cuenta de que un campo magnético puede tener un efecto muy similar al de un pulso láser".
En opinión de Sentef, esto apunta a una importante lección: "El recientemente fallecido premio Nobel Steven Weinberg escribió una vez que una de las ideas clave de su impresionante carrera de investigación era que uno debe perdonarse a sí mismo por perder el tiempo. Creo que lo que quería decir era que la investigación no siempre es sencilla y que es increíblemente difícil predecir qué problemas merecen la pena. Aquí tenemos un ejemplo perfecto de un hallazgo verdaderamente serendípico: un descubrimiento no planificado que sólo es posible cuando tenemos la oportunidad de pensar profundamente en la naturaleza sin saber exactamente a dónde nos llevará. El MPSD es una tierra de ideas que ofrece este tipo de oportunidades, y espero sinceramente que siga siendo así".
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