Durante décadas, los físicos supieron que dentro de ciertos materiales los electrones podían moverse sin rozamiento, como si el cable eléctrico se convirtiera en una autopista sin peaje. Pero nadie había visto cómo se movían realmente. Hasta ahora.
Un equipo del Massachusetts Institute of Technology (MIT) ha desarrollado un microscopio que usa luz terahercio, un tipo de radiación que vibra más de un billón de veces por segundo, para visualizar por primera vez las oscilaciones colectivas de los electrones en un superconductor. Los resultados, publicados en la revista Nature, resuelven un viejo obstáculo técnico y abren una ventana nueva para entender cómo funcionan estos materiales. El trabajo está firmado por el físico Nuh Gedik y el posdoctorado Alexander von Hoegen, y puede consultarse íntegro en el estudio original en Nature sobre el plasmón superfluido de terahercio.
El problema que llevaba años atascado
La luz terahercio está en una zona particular del espectro electromagnético, entre las microondas y el infrarrojo. Vibra al mismo ritmo al que los átomos y electrones se agitan dentro de los materiales, lo que en teoría la convierte en la herramienta perfecta para observarlos. El problema es su longitud de onda: cientos de micras, demasiado grande para resolver detalles microscópicos. Cualquier intento de enfocarla sobre una muestra diminuta terminaba en un borrón.
Lo que hicieron Gedik y von Hoegen, según explica la nota oficial del MIT sobre el microscopio de terahercio, fue rodear el problema en lugar de resolverlo frontalmente. Usaron emisores espintrónicos (una tecnología reciente que produce pulsos de terahercio al ser golpeada por un láser) y colocaron la muestra tan cerca de la fuente que la luz no tuvo tiempo de dispersarse. En la práctica, comprimieron el haz a un tamaño muy por debajo de su longitud de onda.
Qué vieron exactamente
El material elegido fue bismuto-estroncio-calcio-cobre-óxido, o BSCCO (pronunciado “bis-co”), un superconductor cuprato de alta temperatura. El equipo trabajó con una muestra de apenas 28 nanómetros de espesor, entre ocho y nueve capas atómicas apiladas. La enfriaron hasta los 10 kelvin (unos –263 °C) y le enviaron pulsos de terahercio.
Al llegar al otro lado, la señal no pasaba limpia. “Vemos que el campo terahercio se distorsiona drásticamente, con pequeñas oscilaciones que siguen al pulso principal”, describe von Hoegen. El material, en palabras del propio investigador, “sonaba como una campana”. Lo que estaba haciendo era emitir su propia radiación después de haber sido golpeado por la original.
El análisis posterior identificó el fenómeno: un plasmón superfluido, una onda colectiva en la que los electrones, emparejados en los llamados pares de Cooper, se balancean al unísono sin rozamiento. “Es como ver bailar al gel superconductor”, resume von Hoegen. Los teóricos llevaban años prediciendo este modo de oscilación en superconductores bidimensionales, pero nadie había podido fotografiarlo.
Por qué importa fuera del laboratorio
La investigación tiene dos lecturas prácticas. La primera, energética. Los centros de datos, las redes de telecomunicaciones y los dispositivos digitales consumen ya entre el 6% y el 12% de la electricidad mundial, según datos recopilados por la Agencia Internacional de la Energía sobre consumo eléctrico digital. Los superconductores, al conducir sin pérdidas, podrían reducir ese derroche de forma drástica, pero solo si funcionan a temperaturas manejables. Entender mejor qué pasa dentro del BSCCO es un paso hacia los llamados “superconductores a temperatura ambiente”, el santo grial del sector.
La segunda lectura tiene que ver con las comunicaciones. “Hay un empuje enorme para llevar el wifi o las telecomunicaciones al siguiente nivel, a frecuencias de terahercio», señala von Hoegen. Un microscopio capaz de ver cómo se comporta esta radiación a escala microscópica es, de paso, una herramienta para diseñar las futuras antenas y receptores de redes mucho más rápidas que las actuales.
Lo que viene ahora
El microscopio no se quedará en el BSCCO. El equipo ya planea aplicarlo a otros materiales bidimensionales, buscando vibraciones de la red atómica, procesos magnéticos y otros modos colectivos que hasta ahora han permanecido ocultos. “Ahora podemos hacer zoom de forma resonante en toda esta física interesante”, apunta von Hoegen.
Al final del día, lo que el experimento demuestra es bastante sencillo. Durante años, una parte esencial del comportamiento superconductor había existido solo como una construcción matemática en papel. A partir de este trabajo, puede verse.
