Los electrones superconductores se movían. No rebotando aleatoriamente como los átomos en agua caliente, sino oscilando juntos, un billón de veces por segundo, como una única onda coherente que recorre el material. Por primera vez, los físicos pudieron observar cómo se desarrollaba esta danza cuántica.
“Este nuevo microscopio nos permite ahora ver un nuevo modo de electrones superconductores que nadie había visto antes”, dice Nuh Gedik del MIT. Lo que estaban viendo era un plasmón superfluido, una onda colectiva de electrones que se movían sin fricción, captada con exquisito detalle por un nuevo tipo de microscopio que opera a frecuencias de terahercios.
El avance aborda una frustración de larga data en la física. La luz de terahercios (radiación que oscila alrededor de un billón de veces por segundo) se encuentra en un punto óptimo del espectro electromagnético. Es seguro, como la luz visible y las ondas de radio, pero puede penetrar materiales como los rayos X. Más importante aún, oscila exactamente al ritmo adecuado para investigar cómo los átomos y los electrones vibran naturalmente dentro de los materiales. En teoría, es la herramienta perfecta para estudiar los fenómenos cuánticos. En la práctica, ha habido un problema.
Las ondas de terahercios son enormes en comparación con las muestras microscópicas que los físicos quieren estudiar. La longitud de onda se extiende a cientos de micrones de largo, mientras que los materiales cuánticos interesantes podrían medir sólo 10 micrones de ancho. “Es posible que tenga una muestra de 10 micrones, pero su luz de terahercios tiene una longitud de onda de 100 micrones, por lo que lo que mediría principalmente es aire o el vacío alrededor de su muestra”, explica Alexander von Hoegen, un postdoctorado en el MIT que dirigió el trabajo. “Se estarían perdiendo todas estas fases cuánticas que tienen huellas características en el régimen de terahercios”.
La solución vino de una fuente poco probable. En lugar de intentar enfocar la luz de terahercios en un haz más estrecho (una batalla perdida contra las leyes de la difracción), von Hoegen y sus colegas utilizaron emisores espintrónicos, capas metálicas ultrafinas que producen pulsos agudos de radiación de terahercios cuando son impactados por un láser. El truco consistió en colocar su muestra directamente contra este emisor, atrapando la luz de terahercios antes de que tuviera la oportunidad de extenderse. En ese espacio confinado, más pequeño que la propia longitud de onda, la luz podría interactuar con características microscópicas que antes eran invisibles.
Para probar su microscopio, el equipo recurrió al BSCCO: óxido de bismuto, estroncio, calcio y cobre, un superconductor de alta temperatura con un nombre extraño que los físicos han abreviado como “BIS-co”. Este material se superconduce a temperaturas relativamente suaves en comparación con los superconductores convencionales y, lo que es más importante, sigue siendo superconductor incluso cuando se reduce a capas atómicamente delgadas. La muestra que estudiaron tenía sólo 28 nanómetros de espesor, aproximadamente ocho o nueve células unitarias apiladas.
Cuando enfriaron el BSCCO a 10 kelvin y lo iluminaron con pulsos de terahercios, sucedió algo peculiar. La señal transmitida no pasó limpiamente. “Vemos que el campo de terahercios se distorsiona dramáticamente, con pequeñas oscilaciones después del pulso principal”, dice von Hoegen. El material sonaba como una campana. “Eso nos dice que algo en la muestra está emitiendo luz de terahercios, después de haber sido golpeado por nuestro pulso inicial de terahercios”.
Lo que encontraron fue el plasmón superfluido: una oscilación colectiva de los electrones superconductores dentro de los planos BSCCO ultradelgados. Estos electrones, emparejados en pares de Cooper y moviéndose sin resistencia, chapoteaban juntos de un lado a otro. “Es este gel superconductor el que estamos viendo moverse”, dice von Hoegen. Si bien los físicos habían predicho que tales modos deberían existir en superconductores bidimensionales, verlos realmente había resultado imposible hasta ahora.
Al escanear la muestra con el microscopio, los investigadores pudieron trazar un mapa de la estructura de la onda de plasmón en el espacio. En una muestra rectangular, rotaron la polarización de terahercios para alinearla con el borde corto o largo. La frecuencia del plasmón cambió según la orientación: fue más baja cuando se alineó con el borde largo, exactamente como se predijo para una onda confinada por la geometría de la muestra. Incluso pudieron rastrear cómo el plasmón se ablandó a medida que la temperatura se acercaba al punto crítico de BSCCO, donde la superconductividad desaparece. Aproximadamente 10 kelvin por debajo de esa transición, la amortiguación aumentó drásticamente a medida que las fluctuaciones térmicas comenzaron a desgarrar el superfluido coherente.
La técnica abre nuevos caminos para el estudio de materiales cuánticos bidimensionales. El mismo microscopio podría sondear vibraciones de la red, excitaciones magnéticas y otros modos colectivos que oscilan a frecuencias de terahercios pero que han permanecido ocultos a la óptica convencional. “Ahora podemos acercarnos de manera resonante a estas interesantes físicas con nuestro microscopio de terahercios”, dice von Hoegen.
También hay un ángulo práctico. “Hay un gran impulso para llevar el Wi-Fi o las telecomunicaciones al siguiente nivel, a frecuencias de terahercios”, señala von Hoegen. Las comunicaciones de terahercios podrían potencialmente transmitir muchos más datos que los sistemas actuales basados en microondas. “Si tienes un microscopio de terahercios, podrías estudiar cómo interactúa la luz de terahercios con dispositivos microscópicamente pequeños que podrían servir como futuras antenas o receptores”. Probar esos dispositivos requiere ver cómo se comporta la radiación de terahercios a escalas más pequeñas que su propia longitud de onda, exactamente lo que proporciona este microscopio.
Por ahora, sin embargo, el verdadero premio podría ser lo que esto revele sobre la propia superconductividad. Al observar cómo el plasmón superfluido evoluciona con la temperatura y el impulso, los físicos obtienen acceso directo a la transición superconductora dependiente de la frecuencia y del impulso en dos dimensiones. Es una ventana a cómo se forman las parejas de Cooper, cómo se mueven colectivamente y qué es lo que finalmente los separa. Resulta que el movimiento te dice bastante.
Enlace del estudio: https://www.nature.com/articles/s41586-025-10082-2
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