Hacia la manipulación de mejores estados cuánticos en superconductores

Lanzar una piedra en un estanque genera ondas circulares y 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, deja remolinos detrás de la roca. La perturbación de un fluido cuántico, como el que se forma en un superconductor, produce efectos similares: las impurezas crean ondas de densidad y las corrientes circulares crean remolinos (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. Sin embargo, resulta todavía un misterio cómo combinar estos dos efectos en un superconductor y cuáles son las consecuencias de tal combinación.

Un trabajo reciente liderado desde la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), en la que participan investigadores españoles y alemanes, combinó estos dos efectos por primera vez, revelando un nuevo comportamiento que podría usarse para mejorar la computación cuántica.

En concreto, los resultados, publicados en Nature Communications, demuestran que las impurezas magnéticas mezclan diferentes niveles cuánticos dentro de los vórtices.

“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”, explican los autores.

Pares de Cooper, cuasipartículas y fermiones de Majorana

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 actuales.

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 cierto umbral (llamado energía de Fermi) y su antipartícula, que en un superconductor se llama hueco y cuya energía está por debajo de dicho 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 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. En estos casos ya no es posible distinguir entre la partícula y su antipartícula, y se obtiene un sistema que los físicos llaman fermión de Majorana.

Se espera que los fermiones de Majorana revolucionen la computación cuántica, porque son mucho más robustos que los pares de Cooper.

Sin embargo, 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.

Asimetría electrón-hueco

Para demostrar que combinar impurezas magnéticas y vórtices cuánticos es útil para manipular mejores estados cuánticos en superconductores, los investigadores realizaron algunos cálculos que aportaron información nueva e interesante.

Estos cálculos mostraron que los iones de hierro (Fe) producen un momento magnético considerable, lo suficientemente fuerte como para perturbar la superconductividad en un compuesto de capas formado por láminas 2D.

Posteriormente los autores estudiaron las propiedades de los átomos de Fe utilizando un microscopio túnel de barrido, encontrando que alrededor de las impurezas se pierde la simetría electrón-hueco, y caracterizaron algunas de sus propiedades magnéticas.

Finalmente 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.

De este modo, el esfuerzo combinado de cálculos y experimentos, permitió a los investigadores dar un paso adelante al demostrar que una propiedad cuántica —el carácter asimétrico electrón-hueco— que está ausente en los vórtices, puede transferirse a los vórtices ubicándolos cerca de las impurezas magnéticas.  Y esto, en suma, sugiere que combinar perturbaciones —en lugar de tratarlas por separado— es útil para manipular estados cuánticos en superconductores.

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Referencia bibliográfica:

Park, S., Barrena, V., Mañas-Valero, S., Baldoví, J.J., Fente, A., Herrera, E., Mompeán, F., García-Hernández, M., Rubio, A., Coronado, E., Guillamón, I., Levy Yeyati, A., Suderow, H. 2021. Coherent coupling between vortex bound states and magnetic impurities in 2D layered superconductors. Nature Communications 12, 4668. https://doi.org/10.1038/s41467-021-24531-9

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