Los espines electrónicos explican parte de la superconductividad

Al final de una tira de película delgada, los electrones se emparejaban y fluían sin resistencia. En el otro extremo, nunca lo hacían. Dentro de un imán de alta potencia del Laboratorio Europeo de Campos Magnéticos, en los Países Bajos, la tira contenía esa diferencia en una sola pieza de material, y por eso un equipo dirigido por la Universidad de Bristol pudo poner a prueba una idea sobre la superconductividad de alta temperatura en condiciones idénticas.

Los investigadores fabricaron la muestra con óxido de cobre dopado con lantano y cerio, depositándolo sobre una capa base átomo a átomo. A lo largo de la tira, sustituyeron gradualmente el lantano por cerio. Esa sustitución añadió electrones de conducción adicionales y produjo un gradiente suave de las temperaturas críticas de transición, de modo que el punto en el que aparece la superconductividad pasa de su valor más alto a cero a lo largo de una sola muestra. Después, la litografía grabó contactos eléctricos sobre la película, de forma que cada zona tuviera una temperatura crítica distinta mientras el desorden del material se mantenía igual. Campos magnéticos intensos suprimían el estado superconductor, y el equipo registró cómo variaba la resistencia con la temperatura, la intensidad del campo y el punto crítico.

Los datos de resistencia revelan la principal fuente de fricción eléctrica: electrones que chocan directamente con fluctuaciones de los espines electrónicos. La intensidad de esa interacción coincidía de cerca con la temperatura crítica de transición a lo largo de la tira, lo que llevó al equipo a concluir que las fluctuaciones de espín causan la superconductividad en este material. En los superconductores convencionales, los electrones se emparejan mediante vibraciones lentas de los iones de la red cristalina. Los óxidos de cobre necesitan interacciones mucho más rápidas, y los espines electrónicos las proporcionan. Nigel Hussey, catedrático de Física de la Universidad de Bristol y coautor principal, lo calificó de «la prueba definitiva» que resuelve una parte de la ecuación.

El equipo deja claro que el resultado cubre solo una mitad del problema. Los óxidos de cobre pueden volverse superconductores de dos maneras: añadiendo electrones, como hicieron los investigadores con el cerio, o quitándolos, lo que deja espacios vacíos llamados huecos. Las temperaturas de transición más altas se dan únicamente en los materiales dopados con huecos. Cuando el equipo comparó sus datos con estudios previos de campos intensos sobre muestras dopadas con huecos, las interacciones de espín por sí solas no bastaban para explicar su mayor rendimiento. Los investigadores concluyen que, en ese lado, debe actuar junto a las fluctuaciones de espín un segundo factor, todavía desconocido. Como resumió Hussey: «la tarea ahora es ir a buscar el segundo».

Por ahora, el cambio interesa sobre todo a los teóricos, que ganan una pieza medida del mecanismo que tenían que modelar sin ella. Los materiales de resistencia nula ya se utilizan para fabricar los imanes potentes de las resonancias magnéticas médicas, los cables eléctricos eficientes y los equipos de medición ultrasensibles, y el equipo considera que describir por completo el mecanismo es crucial para las tecnologías que dependen de la ausencia de resistencia. El estudio es una medición de laboratorio sobre una única película artificial y no fija ninguna fecha para ninguna aplicación. Su valor reside en que acota la búsqueda del ingrediente que permitiría a los ingenieros diseñar estos materiales en lugar de descubrirlos.