Revelan cómo mínimas impurezas magnéticas alteran lasuperconductividad

Un equipo del Laboratorio de Bajas Temperaturas y Altos Campos Magnéticos de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), en colaboración con científicos del Niels Bohr Institute de Copenhague, el Donostia International Physics Center (DIPC), la Universitat de València y centros de Argentina y Países Bajos, ha descubierto un comportamiento inesperado en un material superconductor cuando contiene cantidades extremadamente pequeñas de impurezas magnéticas.

El estudio, publicado en la revista Advanced Materials, muestra que concentraciones ínfimas de hierro --apenas unas 150 partes por millón-- pueden eliminar una propiedad fundamental de la superconductividad cuando el material presenta además cierto desorden estructural. El material analizado es el diseleniuro de niobio (2H-NbSe2), un superconductor ampliamente estudiado, según ha indicado la institucióna académica en un comunicado.

Los investigadores analizaron qué ocurre cuando parte del selenio se sustituye por azufre y el cristal contiene además átomos aislados de hierro. El resultado fue "sorprendente", ya que un solo átomo de hierro por cada 3.000 celdas del cristal basta para eliminar el llamado 'gap' superconductor, una característica que a menudo se considera una propiedad clave del estado superconductor, pero que, como demuestra este estudio, no lo es tanto.

Este fenómeno se conoce como superconductividad sin gap (gapless superconductivity) y estaba considerado hasta la fecha como "algo relativamente poco frecuente". El hallazgo de los investigadores muestra que aparece con concentraciones de impurezas mucho menores de las que predecían las teorías clásicas desarrolladas hace más de medio siglo y que podría ser mucho más común de lo esperado.

SUPERCONDUCTIVIDAD SIN 'GAP'

La superconductividad es un fenómeno cuántico que aparece a temperaturas extremadamente bajas y permite que la electricidad circule sin resistencia. Esto sucede porque los electrones se agrupan en parejas --los llamados pares de Cooper-- y se desplazan de forma coordinada a través del material.

Una de las características de este estado es la aparición de un gap de energía, que actúa como una especie de barrera protectora. Para romper un par de electrones es necesario aportar al menos esa energía mínima. Esto se utiliza a menudo para explicar por qué el estado superconductor es estable ante perturbaciones.

En algunos casos excepcionales esta barrera desaparece parcialmente. Entonces aparecen estados electrónicos donde normalmente no deberían existir y el material entra en lo que se conoce como superconductividad sin 'gap'.

En este estado, la superconductividad sigue existiendo, demostrándose que la estabilidad del fenómeno superconductor no se mide con el 'gap', sino con otras cantidades, como por ejemplo los valores de temperatura, corriente o campo magnético que soporta el superconductor.

Tanto es así que los superconductores sin 'gap' son "especialmente interesantes" porque pueden dar lugar a fenómenos cuánticos poco comunes, entre ellos posibles estados de Majorana, que se consideran particularmente robustos y se investigan por su potencial en futuras tecnologías de computación cuántica.

UN EFECTO INESPERADO DE LAS IMPERFECCIONES

Durante décadas, la física de la superconductividad ha sostenido que el desorden no magnético apenas afecta a los superconductores convencionales. Según el llamado teorema de Anderson, pequeñas imperfecciones estructurales no deberían alterar significativamente sus propiedades.

Sin embargo, el nuevo estudio muestra que la situación puede ser mucho más compleja. Cuando en este material se combinan tres factores --impurezas magnéticas muy diluidas, desorden estructural y cambios en la estructura electrónica del cristal-- el efecto sobre la superconductividad puede ser mucho más fuerte de lo esperado.

En otras palabras, distintos tipos de imperfecciones pueden reforzar su impacto entre sí y debilitar el gap superconductor con una eficacia sorprendente.

INFLUENCIA EN TODO EL SISTEMA

Para investigar este fenómeno, los científicos fabricaron monocristales de alta calidad del material con distintas cantidades de azufre. Después añadieron una cantidad muy pequeña y controlada de hierro para introducir impurezas magnéticas.

Las muestras se estudiaron en Madrid utilizando un microscopio de efecto túnel, un instrumento capaz de observar la superficie del material átomo a átomo y medir con gran precisión su comportamiento electrónico a temperaturas cercanas al cero absoluto.

Gracias a esta técnica, los investigadores pudieron localizar los átomos individuales de hierro y analizar cómo afectan a la superconductividad en su entorno inmediato. Los resultados experimentales se complementaron con cálculos teóricos avanzados realizados en Copenhague, San Sebastián y Valencia, que permitieron reproducir los efectos observados y comprender su origen físico.

El diseleniuro de niobio es un material en capas que, a temperaturas muy bajas, combina superconductividad con un fenómeno llamado onda de densidad de carga, un patrón periódico en la distribución de los electrones. Cuando el selenio se sustituye por azufre, este patrón desaparece y los electrones quedan más confinados en cada capa del material. En estas condiciones, las impurezas magnéticas dejan de tener un efecto estrictamente local y terminan influyendo en la superconductividad de todo el sistema.

Según los autores, el hallazgo muestra que la forma en que las imperfecciones afectan a los superconductores puede depender mucho más de los detalles electrónicos del material de lo que se pensaba hasta ahora. Por ello, los modelos teóricos deberán tener en cuenta estas particularidades para describir correctamente el comportamiento de cada sistema.