Un experimento reciente ha suministrado fuertes indicios de que puede existir una tercera senda capaz de generar superconductividad, la capacidad de algunos materiales para conducir la electricidad sin pérdida de energía. Según un artículo publicado en noviembre de 2024 en la revista Nature Physics, el efecto de este nuevo mecanismo ‒hasta ahora previsto únicamente en teoría y diferente a los dos procesos probadamente asociados a la superconductividad‒ se midió en un compuesto a base de hierro. Cuando se lo enfría a una temperatura cercana al cero absoluto, de 4 kélvines (K), equivalente a -269,15 grados Celsius (ºC), este material ofrece nula resistencia al paso de la corriente eléctrica. El estudio está firmado por cuatro físicos brasileños y nueve extranjeros.
El trabajo muestra que la superconductividad en cristales de selenuro de hierro dopados (mezclados) con átomos de azufre (FeSe1-xSx) puede hacerse presente a partir del desorden de un estado específico de la materia conocido como fase nemática. Si las moléculas de un material se organizan en una dirección determinada (vertical u horizontal) y forman una especie de trama, similar a los hilos de una tela, los físicos dicen que se encuentra en su fase nemática. En griego, nema significa hilo. La manipulación de la fase nemática en los cristales líquidos, el tipo de material en el que se formuló originalmente este concepto, es lo que permite la fabricación de las pantallas de computadoras y televisores LCD actuales.
En una configuración con sus moléculas completamente ordenadas, por lo tanto en fase nemática, el selenuro de hierro conduce la corriente eléctrica preferentemente en la dirección de su alineación. Cuando se añaden a este compuesto átomos de azufre en lugar de algunos átomos de selenio, sus moléculas dejan de obedecer al alineamiento preferencial original (vertical, por ejemplo) y comienzan a moverse en forma desalineada, con una leve angulación. Las oscilaciones en la dirección preferencial de la corriente eléctrica del material dopado generan estas fluctuaciones nemáticas.
“Mediante el empleo de un microscopio de barrido por efecto túnel, hemos constatado que las fluctuaciones constituyen la causa probable de la atracción entre los pares de Cooper en este material”, explica el físico brasileño Eduardo Higino da Silva Neto, de la Universidad Yale, en Estados Unidos, coordinador del estudio. “Las fluctuaciones nemáticas conformarían el tercer tipo de interacción que hace que los electrones se adhieran formando pares”, dice el físico teórico Vanuildo Silva de Carvalho, de la Universidad Federal de Goiás (UFG), otro de los autores del estudio.
Cuando estos pares de electrones, que deberían repelerse porque tienen la misma carga eléctrica negativa, se aproximan tanto en el interior de la estructura atómica de un material a punto tal de producir un tipo inusual de unión entre ambos, se forma un par de Cooper. Para que una corriente eléctrica pueda fluir en un compuesto con resistencia cero sin que se pierda energía en forma de calor, debe plasmarse esta interacción. La formación de pares de Cooper es la firma atómica de la superconductividad en un determinado material.
Hasta ahora se conocían dos mecanismos comprobados que daban lugar al surgimiento de estos pares de electrones más cercanos. En la mayoría de los compuestos superconductores, sobre todo en aquellos que transmiten corrientes sin pérdida de energía solamente a temperaturas justo por encima del cero absoluto, los pares de Cooper se originan a partir de una forma de vibración o excitación colectiva de los átomos denominada fonón. En los llamados superconductores no convencionales, que funcionan a temperaturas más altas pero aun así extremadamente bajas, la superconductividad puede aparecer debido a la existencia de un tipo de magnetismo, el antiferromagnetismo en el espín de los electrones. El espín es una propiedad cuántica intrínseca de los electrones y otras partículas subatómicas que condiciona su interacción con los campos magnéticos.
Como lo predecía la teoría
En los superconductores no convencionales es muy difícil discernir si la capacidad de transmitir corrientes eléctricas sin pérdida de energía se debe al antiferromagnetismo, un mecanismo conocido y más estudiado, o a las fluctuaciones nemáticas, un efecto menos investigado en la física de los materiales sólidos. “En algunos materiales superconductores, ambos fenómenos actúan simultáneamente y se los puede confundir. En otros, el antiferromagnetismo es la causa de esta propiedad”, explica Da Silva Neto.
Para medir experimentalmente el papel de las fluctuaciones nemáticas en la inducción de la superconductividad, los físicos tuvieron que crear un material en el que los dos tipos de interacción sobre los electrones de la muestra pudieran separarse. El objetivo se consiguió añadiendo átomos de azufre en lugar de algunos átomos de selenio en el compuesto original, el selenuro de hierro. Cuanto más azufre se añadió al material, menores fueron las fluctuaciones antiferromagnéticas y mayores las nemáticas. “De este modo, se pudo descartar la posibilidad de que el antiferromagnetismo estuviera implicado en la superconductividad, dejando solamente las fluctuaciones nemáticas como la única explicación convincente para nuestros resultados”, concluye el físico Eduardo Miranda, de la Universidad de Campinas (Unicamp), otro de los coautores del artículo. El cuarto brasileño que firmó el artículo fue Rafael Fernandes, de la Universidad de Illinois (EE. UU.).
“Este artículo aporta un argumento muy sólido a favor de las fluctuaciones nemáticas como uno de los ‘pegamentos’ que generan los pares de Cooper”, dice el físico Múcio Continentino, del Centro Brasileño de Investigaciones Físicas (CBPF) de Río de Janeiro, quien no participó en el estudio. El físico Rodrigo Pereira, de la Universidad Federal de Rio Grande do Norte (UFRN), quien tampoco formó parte del estudio, sostiene lo mismo. “El estudio muestra una concordancia sorprendente entre la predicción teórica de un superconductor inducido por fluctuaciones nemáticas y los resultados experimentales”, comenta.
Este artículo salió publicado con el título “La tercera vía hacia la superconductividad” en la edición impresa n° 348 de febrero de 2025.
Proyecto
Materiales cuánticos correlacionados (n° 22/15453-0); Modalidad Proyecto Temático; Investigador responsable Eduardo Miranda (Unicamp); Inversión R$ 1.772.678,14.
Artículo científico
NAG, P. K. et al. Highly anisotropic superconducting gap near the nematic quantum critical point of FeSe1−xSx. Nature Physics. 13 nov. 2024.
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