Avance de superconducción: los científicos descubren un nuevo estado de la materia cuántica

Por Universidad de Cornell29 de agosto de 2023

Los científicos de Cornell descubrieron un nuevo estado de materia cuántica en Uranio Ditelluride, que podría revolucionar la computación cuántica y la espintrónica al formar la plataforma de materiales para computadoras cuánticas ultraestables y revelar nuevas vías para identificar dichos estados en diversos materiales.

Researchers from Cornell University have identified a new state of matter in candidate topological superconductors, a discovery that may have far-reaching implications for both condensed matter physics and the fields of quantum computingPerforming computation using quantum-mechanical phenomena such as superposition and entanglement." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Computación cuántica y espintrónica.

Investigadores del Grupo de Materia Cuántica Macroscópica de Cornell han descubierto y visualizado un estado cristalino pero superconductor en un superconductor nuevo e inusual, el ditelluuro de uranio (UTe2), utilizando uno de los microscopios de túnel Josephson escaneados de mikelvin (SJTM) más potentes del mundo. Este “cristal de par de electrones de triplete de espín” es un estado previamente desconocido de materia cuántica topológica.

Los hallazgos fueron publicados recientemente en la revista Nature. Qiangqiang Gu, investigador postdoctoral que trabaja en el laboratorio del físico JC Séamus Davis, profesor emérito distinguido James Gilbert White en la Facultad de Artes y Ciencias, codirigió la investigación con Joe Carroll del University College Cork y Shuqiu Wang de la Universidad de Oxford.

Los superconductores son topológicos cuando el potencial de emparejamiento exhibe una paridad impar, lo que lleva a que cada par de electrones adopte un estado de triplete de espín, con ambos espines de electrones orientados en la misma dirección. Los superconductores topológicos son objeto de intensas investigaciones por parte de los físicos porque, en teoría, pueden formar la plataforma de materiales para computadoras cuánticas ultraestables, dijo Gu.

Sin embargo, incluso después de una década de intensa investigación sobre la superconductividad topológica, ningún material a granel ha sido definitivamente reconocido como superconductores de paridad impar y triplete de espín, con la excepción del 3He superfluido, que también se descubrió en Cornell. Recientemente, el nuevo y exótico material ditelluuro de uranio (UTe2) ha surgido como un candidato muy prometedor para esta clasificación. Sin embargo, su parámetro de orden superconductor sigue siendo difícil de alcanzar, dijo Gu.

En 2021, los físicos teóricos comenzaron a proponer que UTe2 se encuentra en realidad en un estado topológico de ondas de densidad de pares (PDW). Nunca se había detectado tal forma de materia cuántica.

En términos simples, un PDW es como una danza estacionaria de pares de electrones que se encuentran en un superconductor, pero los pares forman patrones cristalinos periódicos en el espacio.

"Nuestro equipo en Cornell descubrió el primer PDW jamás observado en 2016 utilizando el microscopio de túnel Josephson escaneado con punta superconductora que inventamos para ese propósito", dijo Gu. “Desde entonces, hemos sido pioneros en los estudios SJTM a temperaturas de mikelvin y con resolución de energía de microvoltios. Para el proyecto UTe2, visualizamos directamente las modulaciones espaciales del potencial de emparejamiento superconductor a escala atómica y descubrimos que se modulan exactamente como se predijo en un estado PDW a medida que la densidad de los pares de electrones se modula periódicamente en el espacio. Lo que detectamos es un nuevo estado de materia cuántica: una onda de densidad de pares topológicos compuesta por pares de Cooper espín-triplete”.

Las ondas de densidad de pares de cobre son una forma de materia cuántica electrónica en la que pares de electrones se congelan en un estado PDW superconductor, en lugar de formar un fluido "superconductor" convencional donde todos se encuentran en el mismo estado de movimiento libre.

"El descubrimiento del primer PDW en superconductores de triplete de espín es apasionante", afirmó Gu. “Los compuestos superconductores de fermiones pesados ​​a base de uranio son una clase nueva y exótica de materiales que proporcionan una plataforma prometedora para la realización de la superconductividad topológica. … Nuestro descubrimiento científico también señala la naturaleza ubicua de este intrigante estado cuántico en los superconductores de ondas s, ondas d y ondas p, y arroja luz sobre nuevas vías para identificar dichos estados en un amplio espectro de materiales”.

Referencia: “Detección de un estado de onda de densidad de par en UTe2” por Qiangqiang Gu, Joseph P. Carroll, Shuqiu Wang, Sheng Ran, Christopher Broyles, Hasan Siddiquee, Nicholas P. Butch, Shanta R. Saha, Johnpierre Paglione, JC Séamus Davis y Xiaolong Liu, 28 de junio de 2023, Nature.DOI: 10.1038/s41586-023-05919-7