Los científicos cuánticos han descubierto un fenómeno en el bronce púrpura, un metal unidimensional, que le permite cambiar entre estados aislantes y superconductores. Este cambio, causado por estímulos mínimos como el calor o la luz, se debe a la «simetría emergente». Este descubrimiento pionero, que comenzó con la investigación sobre la magnetorresistencia del metal, podría conducir al desarrollo de interruptores perfectos en dispositivos cuánticos, un hito potencial en la tecnología cuántica.

Los científicos cuánticos han descubierto un fenómeno en el bronce púrpura que podría ser clave para desarrollar el «interruptor perfecto» en dispositivos cuánticos que alternan entre ser un aislante y un superconductor.

Investigación realizada por la Universidad de Bristol y publicada en CienciasEstos dos estados electrónicos opuestos se encuentran dentro del bronce púrpura, un metal unidimensional único compuesto por cadenas de átomos conductores individuales.

Por ejemplo, pequeños cambios en un material, provocados por un pequeño estímulo como el calor o la luz, pueden desencadenar una transición instantánea de un estado aislante con conductividad cero a un superconductor con conductividad ilimitada, y viceversa. Esta diversidad de polarización, conocida como «simetría emergente», tiene el potencial de proporcionar un interruptor de encendido/apagado perfecto en futuros desarrollos de tecnología cuántica.

La imagen muestra una representación de simetría emergente, mostrando una gota de agua perfectamente simétrica que emerge de una capa de hielo. Por el contrario, los cristales de hielo en la nieve tienen una forma compleja y, por tanto, son menos simétricos que una gota de agua. El color violeta indica el material de bronce violeta en el que se descubrió este fenómeno. Crédito: Universidad de Bristol

Un viaje de 13 años

El autor principal Nigel Hussey, profesor de física de la Universidad de Universidad de Bristol«Es un descubrimiento realmente apasionante que podría proporcionar una clave perfecta para los futuros dispositivos cuánticos», afirmó.

«El fascinante viaje comenzó hace 13 años en mi laboratorio, cuando dos estudiantes de doctorado, Xiaofeng Xu y Nick Wickham, midieron la magnetorresistencia (el cambio en la resistencia causado por un campo magnético) del bronce púrpura».

En ausencia de un campo magnético, la resistencia del bronce violeta dependía en gran medida de la dirección en la que entraba la corriente eléctrica. Su dependencia de la temperatura también era compleja. A temperatura ambiente, la resistividad es metálica, pero a medida que la temperatura disminuye, esto se invierte y el material parece convertirse en un aislante. Luego, a las temperaturas más bajas, la resistencia vuelve a disminuir y se convierte en un superconductor. A pesar de esta complejidad, la magnetorresistencia es sorprendentemente simple. Era esencialmente lo mismo independientemente de la dirección en la que se alineaba la corriente o el campo y seguía una dependencia lineal perfecta de la temperatura desde la temperatura ambiente hasta la temperatura de transición superconductora.

«No se pudo encontrar una explicación coherente para este comportamiento desconcertante, y los datos permanecieron inactivos e inéditos durante los siguientes siete años. Una brecha como esta es inusual en la investigación cuántica, aunque la razón no fue la falta de estadísticas», dijo el profesor Hussey. explicado.

«Tal simplicidad en la respuesta magnética siempre oculta un origen complejo y resulta que su posible solución sólo se producirá a través de un encuentro casual».

Un encuentro casual conduce a un gran avance

En 2017, el profesor Hussey trabajaba en la Universidad de Radboud y vio un anuncio de un seminario del físico Dr. Piotr Chudzinski sobre el tema del bronce violeta. En aquel momento, pocos investigadores dedicarían un simposio completo a esta sustancia desconocida, por lo que se despertó su interés.

El profesor Hussey dijo: «En el simposio, Chudzinski sugirió que la alta resistencia podría ser causada por la interferencia entre los electrones de conducción y las esquivas partículas compuestas conocidas como ‘excitones oscuros’. Charlamos después del simposio y juntos propusimos un experimento para probar su teoría. Las mediciones posteriores esencialmente confirmaron esto.»

Gracias a este éxito, el profesor Hussey revivió los datos de magnetorresistencia de Shaw y Wakeham y se los presentó al Dr. Chudzinski. Dos características clave de los datos (linealidad con la temperatura e independencia de la dirección y el campo de la corriente) intrigaron a Chudzinski, al igual que el hecho de que el mismo material puede exhibir un comportamiento aislante y superconductor dependiendo de cómo crece.

El Dr. Chudzinski se preguntó si la interacción entre los portadores de carga y los excitones que presentó anteriormente, en lugar de convertirse completamente en aislantes, podría hacer que los primeros gravitaran hacia el límite entre los estados aislante y superconductor a medida que la temperatura disminuye. En los mismos límites, la probabilidad de que un sistema sea un aislante o un superconductor es esencialmente la misma.

El profesor Hussey dijo: «Esta simetría física es un caso inusual, y desarrollar tal simetría en un metal a medida que disminuye la temperatura, de ahí el término ‘simetría emergente’, sería una primicia mundial».

Los físicos conocen bien el fenómeno de la ruptura de la simetría: la disminución de la simetría de un sistema electrónico al enfriarse. La compleja disposición de las moléculas de agua en un cristal de hielo es un ejemplo de esta simetría rota. Pero lo contrario es un hecho extremadamente raro, si no único. Volviendo a la analogía agua/hielo, es como si después de que el hielo se enfriara más, la complejidad de los cristales de hielo se «derretiera» nuevamente en algo consistente y suave como una gota de agua.

Simetría emergente: un fenómeno raro

El Dr. Chudzinski, ahora investigador en la Queen’s University de Belfast, dijo: «Imagínese un truco de magia en el que una forma aburrida y distorsionada se transforma en una esfera hermosa y perfectamente simétrica. Esta, en resumen, es la esencia de la simetría emergente. La persona en La cuestión es nuestro material, el bronce púrpura, mientras que nuestro mago es la naturaleza misma.» .

Para probar más a fondo si la teoría contiene agua, otro estudiante de doctorado, Martin Berbin, que trabaja en la Universidad de Radboud, examinó 100 cristales individuales adicionales, algunos aislantes y otros superconductores.

El profesor Hussey añadió: «Después de los esfuerzos titánicos de Martin, la historia está completa y la razón por la que diferentes cristales parecen tener estados fundamentales tan diferentes queda clara. De cara al futuro, puede ser posible explotar esta ‘novedad’ para crear interruptores en Circuitos cuánticos donde pequeños estímulos desencadenan cambios profundos y de gran magnitud en la resistencia de conmutación.

Referencia: “Simetría emergente en un superconductor de baja dimensión en el borde de Mottness” por P. Chudzinski, M. Berben, Xiaofeng Xu, N. Wakeham, B. Bernáth, C. Duffy, R. D. H. Hinlopen, Yu-Te Hsu, S. Weidman, B. Tinnemans, Rongying Jin, M. Greenblatt, N. E. Hussey, 16 de noviembre de 2023, Ciencias.
doi: 10.1126/ciencia.abp8948