Los científicos en la búsqueda de un tipo de superconductor no convencional han producido la evidencia más convincente hasta la fecha de que han encontrado uno. En un par de artículos, investigadores del Centro de Materiales Cuánticos QMC de la Universidad de Maryland UMD y sus colegashan demostrado que la ditelurida de uranio o UTe2 para abreviar muestra muchas de las características de un superconductor topológico, un material que puede desbloquear nuevas formas de construir computadoras cuánticas y otros dispositivos futuristas.
"La naturaleza puede ser perversa", dice Johnpierre Paglione, profesor de física en la UMD, director de QMC y autor principal de uno de los artículos. "Podría haber otras razones por las que estamos viendo todas estas cosas extravagantes, pero honestamente, en mi carrera, nunca había visto algo así ".
Todos los superconductores transportan corrientes eléctricas sin ninguna resistencia. Es lo suyo. El cableado detrás de las paredes no puede rivalizar con esta hazaña, que es una de las muchas razones por las que se han utilizado grandes bobinas de cables superconductores y no cables de cobre normales enMáquinas de resonancia magnética y otros equipos científicos durante décadas.
Pero los superconductores logran su superconductancia de diferentes maneras. Desde principios de la década de 2000, los científicos han estado buscando un tipo especial de superconductor, uno que se base en una intrincada coreografía de las partículas subatómicas que realmente transportan su corriente.
Esta coreografía tiene un director sorprendente: una rama de las matemáticas llamada topología. La topología es una forma de agrupar formas que pueden transformarse suavemente unas en otras empujando y tirando. Por ejemplo, una bola de masa puede convertirse en un pande pan o de una tarta de pizza, pero no se puede convertir en una rosquilla sin hacerle un agujero. El resultado es que, topológicamente hablando, una barra y una tarta son idénticos, mientras que una rosquilla es diferente. En un superconductor topológico, los electrones bailan entre sí mientras rodean algo parecido al agujero en el centro de una rosquilla.
Desafortunadamente, no hay una buena manera de cortar un superconductor y hacer zoom en estos movimientos de baile electrónicos. Por el momento, la mejor manera de saber si los electrones bailan o no en una rosquilla abstracta es observar cómo se comporta un material en experimentosHasta ahora, ningún superconductor ha demostrado ser topológico de manera concluyente, pero los nuevos artículos muestran que UTe2 se ve, nada y grazna como el tipo correcto de pato topológico.
Un estudio, realizado por el equipo de Paglione en colaboración con el grupo de Aharon Kapitulnik en la Universidad de Stanford, revela que no existen uno, sino dos tipos de superconductividad simultáneamente en UTe2. Usando este resultado, así como la forma en que la luz se altera cuando rebotael material además de la evidencia experimental publicada anteriormente, pudieron reducir los tipos de superconductividad que están presentes en dos opciones, las cuales los teóricos creen que son topológicas. Publicaron sus hallazgos el 15 de julio de 2021 en la revista ciencia .
En otro estudio, un equipo dirigido por Steven Anlage, profesor de física en la UMD y miembro de QMC, reveló un comportamiento inusual en la superficie del mismo material. Sus hallazgos son consistentes con el tan buscado fenómeno de la topologíamodos de Majorana protegidos. Se predice que los modos de Majorana, partículas exóticas que se comportan un poco como la mitad de un electrón, surgirán en la superficie de los superconductores topológicos. Estas partículas entusiasman particularmente a los científicos porque podrían ser la base de computadoras cuánticas robustas. Anlage y su equipoinformaron sus resultados en un artículo publicado el 21 de mayo de 2021 en la revista Nature Communications.
Los superconductores solo revelan sus características especiales por debajo de una cierta temperatura, al igual que el agua solo se congela por debajo de cero grados Celsius. En los superconductores normales, los electrones se emparejan en una línea de conga de dos personas, seguidos entre sí a través del metal. Pero en algunos casos raros,las parejas de electrones realizan una danza circular alrededor de la otra, más parecida a un vals. El caso topológico es aún más especial: la danza circular de los electrones contiene un vórtice, como el ojo en medio de los vientos arremolinados de un huracán. Una vez que los electrones se emparejanDe esta manera, es difícil deshacerse del vórtice, que es lo que hace que un superconductor topológico sea distinto de uno con una simple danza de electrones en buen tiempo.
En 2018, el equipo de Paglione, en colaboración con el equipo de Nicholas Butch, profesor asociado adjunto de física en la UMD y físico del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST, descubrió inesperadamente que UTe2 era un superconductor.de distancia, estaba claro que no era un superconductor promedio. Más notablemente, parecía no estar desfasado por grandes campos magnéticos, que normalmente destruyen la superconductividad al dividir las parejas de danza de electrones. Esta fue la primera pista que los pares de electrones en UTe2 se aferran aentre ellos más estrechamente de lo habitual, probablemente porque su baile en parejas es circular. Esto generó mucho interés y más investigación de otros en el campo.
"Es como un superconductor de tormenta perfecto", dice Anlage. "Está combinando muchas cosas diferentes que nadie ha visto antes combinadas".
en el nuevo ciencia papel, Paglione y sus colaboradores informaron dos nuevas mediciones que revelan la estructura interna de UTe2. El equipo de UMD midió el calor específico del material, que caracteriza la cantidad de energía que se necesita para calentarlo en un grado. Midieron el calor específico endiferentes temperaturas de inicio y lo vi cambiar a medida que la muestra se volvía superconductora.
"Normalmente hay un gran salto en el calor específico en la transición superconductora", dice Paglione. "Pero vemos que en realidad hay dos saltos. Así que eso es evidencia de dos transiciones superconductoras, no solo una. Y eso es muy inusual".
Los dos saltos sugirieron que los electrones en UTe2 pueden emparejarse para realizar cualquiera de dos patrones de baile distintos.
En una segunda medición, el equipo de Stanford apuntó con luz láser a una pieza de UTe2 y notó que la luz que se reflejaba hacia atrás estaba un poco torcida. Si enviaban una luz que se movía hacia arriba y hacia abajo, la luz reflejada se movía principalmente hacia arriba y hacia abajoun poco a la izquierda y a la derecha. Esto significaba que algo dentro del superconductor estaba torciendo la luz y no desenroscando al salir.
El equipo de Kapitulnik en Stanford también descubrió que un campo magnético podría obligar a UTe2 a girar la luz de una forma u otra. Si aplicaran un campo magnético apuntando hacia arriba cuando la muestra se volviera superconductora, la luz que salía se inclinaría hacia la izquierda. Siapuntaron el campo magnético hacia abajo, la luz se inclinó hacia la derecha. Esto les dijo a los investigadores que, para los electrones que bailan dentro de la muestra, había algo especial en las direcciones hacia arriba y hacia abajo del cristal.
Para averiguar qué significaba todo esto para los electrones que bailan en el superconductor, los investigadores solicitaron la ayuda de Daniel F. Agterberg, teórico y profesor de física en la Universidad de Wisconsin-Milwaukee y coautor del ciencia papel. Según la teoría, la forma en que los átomos de uranio y telurio están dispuestos dentro del cristal de UTe2 permite que las parejas de electrones se unan en ocho configuraciones de danza diferentes. Dado que la medición de calor específica muestra que hay dos danzas al mismo tiempo,Agterberg enumeró todas las diferentes formas de emparejar estas ocho danzas. La naturaleza retorcida de la luz reflejada y el poder coercitivo de un campo magnético a lo largo del eje arriba-abajo reducen las posibilidades a cuatro. Resultados anteriores que muestran la robustez de la superconductividad de UTe2 bajoLos grandes campos magnéticos lo restringieron aún más a solo dos de esos pares de danzas, los cuales forman un vórtice e indican una danza topológica tormentosa.
"Lo interesante es que dadas las limitaciones de lo que hemos visto experimentalmente, nuestra mejor teoría apunta a la certeza de que el estado superconductor es topológico", dice Paglione.
Si la naturaleza de la superconductividad en un material es topológica, la resistencia seguirá siendo cero en la mayor parte del material, pero en la superficie sucederá algo único: las partículas, conocidas como modos Majorana, aparecerán y formarán un fluido queno es un superconductor. Estas partículas también permanecen en la superficie a pesar de defectos en el material o pequeñas interrupciones del medio ambiente. Los investigadores han propuesto que, gracias a las propiedades únicas de estas partículas, podrían ser una buena base para las computadoras cuánticas.pieza de información cuántica en varias Majoranas que están muy alejadas hace que la información sea virtualmente inmune a las perturbaciones locales que, hasta ahora, han sido la pesadilla de las computadoras cuánticas.
El equipo de Anlage quería sondear la superficie de UTe2 más directamente para ver si podían detectar firmas de este mar de Majorana. Para hacer eso, enviaron microondas hacia un trozo de UTe2 y midieron las microondas que salían del otro lado.compararon la salida con y sin la muestra, lo que les permitió probar las propiedades del volumen y la superficie simultáneamente.
La superficie deja una huella en la fuerza de las microondas, lo que lleva a una salida que se mueve hacia arriba y hacia abajo en sincronía con la entrada, pero ligeramente atenuada. Pero como la mayor parte es un superconductor, no ofrece resistencia a las microondas y nono cambia su fuerza. En cambio, los ralentiza, lo que provoca retrasos que hacen que la salida se mueva hacia arriba y hacia abajo fuera de sincronía con la entrada. Al observar las partes desincronizadas de la respuesta, los investigadores determinaron cuántaslos electrones dentro del material participan en la danza pareada a varias temperaturas. Encontraron que el comportamiento concordaba con las danzas circulares sugeridas por el equipo de Paglione.
Quizás lo más importante es que la parte sincronizada de la respuesta de microondas mostró que la superficie de UTe2 no es superconductora. Esto es inusual, ya que la superconductividad suele ser contagiosa: poner un metal regular cerca de un superconductor propaga la superconductividad al metal.Pero la superficie de UTe2 no pareció captar la superconductividad de la masa, tal como se esperaba para un superconductor topológico, y en cambio respondió a las microondas de una manera que no se había visto antes.
"La superficie se comporta de manera diferente a cualquier superconductor que hayamos visto", dice Anlage. "Y luego la pregunta es '¿Cuál es la interpretación de ese resultado anómalo?' Y una de las interpretaciones, que sería consistente con todas lasOtros datos, es que tenemos este estado de superficie protegido topológicamente que es una especie de envoltura alrededor del superconductor del que no se puede deshacer ".
Podría ser tentador concluir que la superficie de UTe2 está cubierta con un mar de modos de Majorana y declarar la victoria. Sin embargo, las afirmaciones extraordinarias requieren pruebas extraordinarias. Anlage y su grupo han tratado de encontrar todas las posibles explicaciones alternativas para lo quefueron observándolos y descartándolos sistemáticamente, desde la oxidación en la superficie hasta la luz que incide en los bordes de la muestra. Aún así, es posible que aún no se descubra una explicación alternativa sorprendente.
"En el fondo de tu cabeza siempre estás pensando 'Oh, tal vez fueron rayos cósmicos', o 'Tal vez fue otra cosa'", dice Anlage. "Nunca puedes eliminar al 100% cualquier otra posibilidad".
Por parte de Paglione, él dice que la pistola humeante será nada menos que usar los modos de superficie de Majorana para realizar un cálculo cuántico. Sin embargo, incluso si la superficie de UTe2 realmente tiene un montón de modos de Majorana, actualmente no hay una forma sencilla de aislar ymanipularlos. Hacerlo podría ser más práctico con una película delgada de UTe2 en lugar de los cristales más fáciles de producir que se utilizaron en estos experimentos recientes.
"Tenemos algunas propuestas para intentar hacer películas delgadas", dice Paglione. Debido a que es uranio y es radioactivo, se requieren algunos equipos nuevos. La siguiente tarea sería tratar de ver si podemos cultivar películas. Y luegola siguiente tarea sería intentar fabricar dispositivos. Eso requeriría varios años, pero no es una locura ".
Ya sea que UTe2 demuestre ser el superconductor topológico tan esperado o simplemente una paloma que aprendió a nadar y graznar como un pato, tanto Paglione como Anlage están emocionados de seguir descubriendo lo que el material tiene reservado.
"Sin embargo, está bastante claro que hay mucha física interesante en el material", dice Anlage. "Si se trata de Majoranas en la superficie o no, es sin duda una cuestión importante, pero explorar la física novedosa es lo más emocionante".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Maryland . Original escrito por Dina Genkina. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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