Un pasatiempo bastante corriente, como es lanzar una piedra en un estanque genera ondas circulares. Y otro, como girar un palo, conduce a remolinos. Estos dos tipos de efectos, olas y remolinos, se combinan para explicar el comportamiento de líquidos en movimiento. Por ejemplo, cuando una ola golpea una roca, siempre deja remolinos detrás de la roca.

Si analizamos las perturbaciones de un fluido cuántico, como las que se forman en un superconductor, se producen efectos similares. Solo que las impurezas crean ondas de densidad y las corrientes circulares crean remolinos, que son los llamados vórtices.

Los superconductores en el mundo real, como los que se encuentran cuando se hace una imagen de resonancia magnética o cuando se realiza un cálculo en una computadora cuántica, sufren ambos tipos de perturbaciones: olas y remolinos  Sin embargo, resulta todavía un misterio cómo combinar estos dos efectos en un superconductor y cuáles son las consecuencias de tal combinación.

De ahí el interés de un trabajo cuyo investigador principal es el profesor Hermann Suderow de la Universidad Autónoma de Madrid y director del Instituto Universitario de Ciencia de Materiales Nicolás Cabrera. Sus conclusiones se han publicado en Nature Communications

Se trata de una colaboración de investigadores de distintos centros de Madrid, Hamburgo y Valencia, entre ellos Eugenio Coronado, catedrático y director del Instituto de Ciencia Molecular (ICMol) de la Universitat de València -además de dos investigadores de su equipo, José Jaime Baldoví y Samuel Mañas- que combinaron estos dos efectos por primera vez, revelando un nuevo comportamiento que podría ayudar a mejorar la computación cuántica.

Las “cuasipartículas”

Por lo general, los electrones aparecen como partículas aisladas. Pero en un superconductor se unen en pares llamados pares de Cooper. Estos pares forman un fluido cuántico capaz de transportar grandes corrientes eléctricas y son la base de los ordenadores cuánticos disponibles actualmente.

Los pares de Cooper se destruyen al introducir una impureza magnética, que crea ondas de densidad electrónica, o al aplicar un campo magnético, que crea corrientes circulares. La consecuencia de estas perturbaciones es la aparición de cuasipartículas, que son combinaciones de un electrón, cuya energía está por encima de un cierto umbral, llamado energía de Fermi, y su antipartícula, que en un superconductor se llama hueco y cuya energía está por debajo de ese umbral.

Estas cuasipartículas tienen algunas propiedades cuánticas interesantes. En particular, su energía está cuantizada y tienen una energía cinética mínima, llamada energía de punto cero, que depende de la masa y la velocidad de las partículas y se debe al movimiento en reposo del llamado principio de incertidumbre de Heisenberg.

Recientemente, se ha descubierto que la energía del punto cero puede reducirse exactamente a cero en algunas circunstancias específicas, como en los superconductores hechos de fermiones de Dirac sin masa en lugar de los electrones masivos habituales. Entonces, ya no podríamos distinguir entre la partícula y su antipartícula y tendríamos un sistema que llamamos “fermión de Majorana”.

Se espera que los “fermiones de Majorana” revolucionen la computación cuántica, porque son mucho más robustos que los pares de Cooper. Eso parece muy interesante. Sin embargo, resulta que aún no se comprenden suficientemente bien aspectos básicos del problema. Por ejemplo, el carácter mixto electrón-hueco se puede observar para cuasipartículas en impurezas magnéticas, pero es muy difícil de observar en vórtices superconductores. Además, la separación entre los niveles cuánticos en los vórtices es pequeña y solo se puede inferir de forma semicuantitativa.

Los autores del artículo realizaron primero algunos cálculos que aportaron información nueva e interesante. Por ejemplo, como hemos dicho, que las impurezas magnéticas mezclan diferentes niveles cuánticos dentro de los vórtices.

Diferentes niveles cuánticos albergan estados con diferentes distribuciones de densidad espacial. Por tanto, la combinación de diferentes niveles produce un cambio en su distribución espacial. Este cambio se debería de poder observar incluso cuando la diferencia entre los niveles cuánticos es demasiado pequeña para ser medida.

Para ver si los cálculos se pueden confirmar en un experimento, los investigadores decidieron estudiar las impurezas y los vórtices en un superconductor en capas. Los superconductores en capas están formados por láminas de materiales 2D y son más fáciles de entender y modelar.

Primero mostraron, utilizando cálculos más detallados, que los iones de Fe producen un momento magnético considerable, lo suficientemente fuerte como para perturbar la superconductividad. Luego estudiaron estos átomos de Fe dentro del superconductor utilizando un poderoso microscopio, llamado microscopio túnel de barrido y pudieron caracterizar su carácter de mixto electrón-hueco y algunas de sus propiedades magnéticas. Luego aplicaron un campo magnético y visualizaron vórtices rodeados de impurezas de Fe. Sorprendentemente, vieron que los vórtices tienen una asimetría electrón-hueco, que no existe en ausencia de impurezas magnéticas.

El esfuerzo combinado de cálculos y experimentos permite dar un paso adelante al mostrar que una propiedad cuántica, el carácter asimétrico electrón-hueco, que está usualmente ausente en los vórtices, puede transferirse a los vórtices ubicándolos cerca de las impurezas magnéticas. Esto sugiere que combinar perturbaciones en lugar de tratarlas por separado es útil para manipular mejor estados cuánticos en superconductores.

Diferentes niveles cuánticos albergan estados con diferentes distribuciones de densidad espacial. La combinación de niveles de impurezas y del vórtice produce un cambio en la posición de los niveles cuánticos en el núcleo del vórtice, que sobrevive incluso cuando la diferencia en energía entre los niveles cuánticos es inferior a la energía térmica.