27 de mayo de 2020
 
Actualizado 06/04/2020 8:48:20 +00:00 CET

Evidencia de partículas teorizadas en 1937 en un extraño superconductor

Pruebas de partículas de Majorana en la superficie de un superconductor
Pruebas de partículas de Majorana en la superficie de un superconductor - E. Edwards/IQUIST

MADRID, 6 Abr. (EUROPA PRESS) -

Herramientas de microscopía de alta resolución han aportado fuerte evidencia de que un nuevo superconductor, el ditelururo de uranio (UTe2), puede ser el hogar natural de una cuasipartícula exótica que ha estado eludiendo a los físicos durante décadas.

Las partículas en cuestión fueron teorizadas en 1937 por un físico italiano llamado Ettore Majorana, y desde entonces, los físicos han estado tratando de demostrar que pueden existir. Los científicos piensan que una clase particular de materiales llamados superconductores no convencionales quirales puede albergar naturalmente Majoranas. UTe2 puede tener todas las propiedades correctas para generar estas escurridizas cuasipartículas, que constituyen al mismo tiempo sus propias antipartículas.

"Conocemos la física de los superconductores convencionales y entendemos cómo pueden conducir electricidad o transportar electrones de un extremo de un cable al otro sin resistencia", dijo en un comunicado el físico Vidya Madhavan, de la Universidad de Illinois, que dirigió la nueva investigación, publicada en Nature. "Los superconductores no convencionales quirales son mucho más raros y la física es menos conocida. Comprenderlos es importante para la física fundamental y tiene aplicaciones potenciales en la computación cuántica", dijo.

Dentro de un superconductor normal, los electrones se emparejan de una manera que permite las corrientes persistentes y sin pérdidas. Esto contrasta con un conductor normal, como el cable de cobre, que se calienta a medida que la corriente lo atraviesa. Parte de la teoría detrás de la superconductividad fue formulada hace décadas por tres científicos de la Universidad de Illinois que obtuvieron un premio Nobel de física por su trabajo. Para este tipo convencional de superconductividad, los campos magnéticos son el enemigo y rompen los pares, devolviendo el material a la normalidad. Durante el último año, los investigadores mostraron que el ditelururo de uranio se comporta de manera diferente.

En 2019, Sheng Ran, Nicholas Butch (ambos coautores de este estudio) y sus colaboradores anunciaron que UTe2 sigue siendo superconductor en presencia de campos magnéticos de hasta 65 Tesla, que es aproximadamente 10.000 veces más fuerte que un imán de refrigerador. Este comportamiento poco convencional, combinado con otras mediciones, llevó a los autores de ese artículo a suponer que los electrones se emparejaban de una manera inusual que les permitía resistir las rupturas. El emparejamiento es importante porque los superconductores con esta propiedad podrían tener partículas de Majorana en la superficie. El nuevo estudio de Madhavan y sus colaboradores fortalece el caso para esto.

El equipo utilizó un microscopio de alta resolución llamado microscopio de túnel de exploración para buscar evidencia del emparejamiento inusual de electrones y partículas de Majorana. Este microscopio no solo puede cartografiar la superficie del ditellururo de uranio hasta el nivel de los átomos, sino que también puede investigar lo que sucede con los electrones. El material en sí es plateado con escalones que sobresalen de la superficie. Estas características de paso son donde la evidencia de las cuasipartículas de Majorana se ve mejor. Proporcionan un borde limpio que, si las predicciones son correctas, debe mostrar las firmas de una corriente continua que se mueve en una dirección, incluso sin la aplicación de un voltaje. El equipo escaneó lados opuestos del escalón y vio una señal con un pico. Pero el pico fue diferente, dependiendo de qué lado del escalón se escaneó.

"Al mirar a ambos lados del escalón, se ve una señal que es una imagen especular el uno del otro. En un superconductor normal, no se puede encontrar eso", dijo Madhavan. "La mejor explicación para ver las imágenes especulares es que estamos midiendo directamente la presencia de partículas de Majorana en movimiento", dijo Madhavan. El equipo dice que las mediciones indican que las cuasipartículas de Majorana que se mueven libremente están circulando juntas en una dirección, dando lugar a señales especulares o quirales.

Madhavan dice que el siguiente paso es realizar mediciones que confirmen que el material ha roto la simetría de inversión de tiempo. Esto significa que las partículas deberían moverse de manera diferente si la flecha del tiempo se invirtiera teóricamente. Tal estudio proporcionaría evidencia adicional de la naturaleza quiral de UTe2.

Si se confirma, el ditelururo de uranio sería el único material, además del superfluido He-3, que se ha demostrado que es un superconductor quiral no convencional. "Este es un gran descubrimiento que nos permitirá comprender este raro tipo de superconductividad, y tal vez, con el tiempo, incluso podríamos manipular las cuasipartículas de Majorana de una manera útil para la ciencia de la información cuántica", concluyó.