En un avance significativo en el campo de la superconductividad, investigadores de la Universidad de Manchester han logrado con éxito una superconductividad robusta en campos magnéticos elevados utilizando un sistema unidimensional (1D) recientemente creado. Este avance ofrece un camino prometedor para lograr la superconductividad en el régimen cuántico de Hall, un desafío de larga data en la física de la materia condensada.
La superconductividad, la capacidad de ciertos materiales para conducir electricidad con resistencia cero, tiene un gran potencial para los avances de las tecnologías cuánticas. Sin embargo, lograr la superconductividad en el régimen cuántico de Hall, caracterizado por una conductancia eléctrica cuantificada, ha demostrado ser un gran desafío.
La investigación, publicada esta semana (25 de abril de 2024) en Naturaleza, detalla el extenso trabajo del equipo de Manchester dirigido por el profesor Andre Geim, el doctor Julien Barrier y la doctora Na Xin para lograr la superconductividad en el régimen cuántico de Hall. Sus esfuerzos iniciales siguieron la ruta convencional donde los estados fronterizos en contrapropagación se acercaron entre sí. Sin embargo, este enfoque resultó ser limitado.
"Nuestros experimentos iniciales estuvieron motivados principalmente por el fuerte y persistente interés en la superconductividad de proximidad inducida a lo largo de los estados cuánticos de borde Hall", explica el Dr. Barrier, autor principal del artículo. "Esta posibilidad ha dado lugar a numerosas predicciones teóricas sobre la aparición de nuevas partículas conocidas como anyons no abelianos".
Luego, el equipo exploró una nueva estrategia inspirada en su trabajo anterior que demostraba que los límites entre dominios en el grafeno podrían ser altamente conductores. Al colocar tales paredes de dominio entre dos superconductores, lograron la proximidad máxima deseada entre estados de borde que se contrapropagaban y al mismo tiempo minimizaron los efectos del desorden.
"Nos animaron a observar grandes supercorrientes a temperaturas relativamente 'templadas' de hasta 1 Kelvin en cada dispositivo que fabricamos", recuerda el Dr. Barrier.
Investigaciones adicionales revelaron que la superconductividad de proximidad no se originaba en los estados cuánticos del borde de Hall que se propagaban a lo largo de las paredes del dominio, sino más bien en estados electrónicos estrictamente 1D que existían dentro de las propias paredes del dominio.
Estos estados 1D, cuya existencia ha demostrado el grupo teórico del profesor Vladimir Fal'ko en el Instituto Nacional del Grafeno, exhibieron una mayor capacidad de hibridarse con la superconductividad en comparación con los estados cuánticos de borde de Hall. Se cree que la naturaleza unidimensional inherente de los estados interiores es responsable de las fuertes supercorrientes observadas en campos magnéticos elevados.
Este descubrimiento de la superconductividad 1D monomodo muestra interesantes vías para futuras investigaciones. "En nuestros dispositivos, los electrones se propagan en dos direcciones opuestas dentro del mismo espacio a nanoescala y sin dispersión", explica el Dr. Barrier. "Estos sistemas 1D son excepcionalmente raros y prometedores para abordar una amplia gama de problemas de física fundamental".
El equipo ya ha demostrado la capacidad de manipular estos estados electrónicos utilizando voltaje de puerta y observar ondas electrónicas estacionarias que modulan las propiedades superconductoras.
“Es fascinante pensar qué nos puede aportar este novedoso sistema en el futuro. La superconductividad 1D presenta un camino alternativo hacia la realización de cuasipartículas topológicas que combinan el efecto Hall cuántico y la superconductividad”, concluye el Dr. Xin. "Este es sólo un ejemplo del gran potencial que encierran nuestros hallazgos".
Esta investigación de la Universidad de Manchester, 20 años después de la aparición del primer material 2D, grafeno, representa un paso más en el campo de la superconductividad. Se espera que el desarrollo de este novedoso superconductor 1D abra las puertas a avances en las tecnologías cuánticas y allane el camino para una mayor exploración de nueva física, atrayendo el interés de diversas comunidades científicas.