Descubren un ruido cuántico gigante que revela superconductividad oculta en materiales magnéticos

MADRID 10 Dic. (EUROPA PRESS) -

Una colaboración internacional, liderada por investigadores del grupo Magnetrans del Departamento de Física de la Materia Condensada de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), ha observado un fenómeno cuántico sin precedentes que puede cambiar la forma en que se entiende la superconductividad en materiales magnéticos.

El trabajo, publicado en Nature Communications, describe la detección de un ruido de disparo (shot noise) extraordinariamente elevado en uniones de vanadio/óxido de magnesio/hierro (V/MgO/Fe).

Este ruido, varios órdenes de magnitud por encima de las predicciones teóricas, surge de la naturaleza cuántica de la carga eléctrica y ha permitido identificar un efecto de proximidad superconductor de carácter excepcional.

"Aunque en electrónica solemos intentar minimizar el ruido, en este caso es precisamente el ruido el que nos desvela una física fascinante", explica Farkhad Aliev, catedrático de la UAM y colíder del estudio.

Los investigadores han medido un factor de Fano -el parámetro que caracteriza el ruido de disparo- de hasta 200, cuando lo esperado sería un valor cercano a 2 en una unión superconductora convencional.

El origen de este ruido gigante reside en un efecto de proximidad inusual. El superconductor de vanadio, cuyos pares de Cooper presentan espines opuestos (superconductividad singlete), induce en el hierro ferromagnético una superconductividad de tipo triplete, en la que los electrones tienen espines paralelos.

Esta conversión es posible gracias al acoplamiento espín-órbita presente en la interfaz y modulada por las simetrías orbitales de los materiales.

Paradójicamente, las simetrías orbitales que normalmente impedirían el transporte electrónico entre el vanadio y el hierro se convierten aquí en la clave para generar la superconductividad inducida, siempre que actúe el acoplamiento espín-órbita interfacial.

El equipo ha demostrado que las uniones V/MgO/Fe funcionan como uniones Josephson -dispositivos cuánticos esenciales en tecnologías como la computación cuántica-, pero con una particularidad notable: solo una de las regiones es superconductora de origen. La segunda región superconductora emerge espontáneamente dentro del hierro ferromagnético.

El hallazgo tiene profundas implicaciones para la espintrónica superconductora, un campo que busca combinar superconductividad y control del espín para desarrollar dispositivos ultrarrápidos y sin pérdidas energéticas.

Los resultados sugieren que es posible inducir superconductividad en una amplia variedad de materiales mediante efectos de proximidad gobernados por el acoplamiento espín-órbita, sin necesidad de las complejas estructuras multicapa empleadas hasta ahora.

Esto podría acelerar el desarrollo de dispositivos de computación cuántica más estables, memorias magnéticas ultrarrápidas sin disipación, sensores cuánticos de gran sensibilidad, o nuevos materiales capaces de transportar corrientes de espín sin pérdidas.

"Durante décadas, la comunidad científica ha buscado evidencias del efecto Josephson inducido por proximidad en uniones con un único superconductor. Nuestras mediciones de ruido proporcionan la primera evidencia clara de este fenómeno", señala Aliev.

El equipo también ha comprobado que este ruido gigante puede suprimirse mediante campos magnéticos, con una respuesta anisotrópica que confirma la naturaleza triplete de la superconductividad inducida. La posibilidad de controlar el efecto con campos magnéticos abre la puerta a dispositivos sintonizables.

El estudio es fruto de una colaboración internacional con científicos de la Universidad de Buffalo (EE.UU.), la Universidad de Lorena (Francia) y la Universidad Babes-Bolyai (Rumanía). La investigación combina técnicas experimentales avanzadas y modelización teórica, y se ha llevado a cabo en el Instituto Nicolás Cabrera y el IFIMAC de la UAM, utilizando criostatos de helio-3 capaces de alcanzar temperaturas de 0,3 Kelvin.