Avance de la superconductividad: Flujo sin fricción de átomos en estado de borde

Científicos del MIT han conseguido por primera vez guiar átomos a un «estado de borde» único que les permite moverse sin fricción. Este avance podría allanar el camino para mejorar los materiales superconductores.

Cuando los electrones atraviesan diversos materiales, experimentan distintos grados de resistencia. Los aislantes bloquean la mayor parte del movimiento, los semiconductores permiten un poco, los conductores permiten una cantidad significativa y los superconductores permiten un movimiento completo sin resistencia. Por tanto, los superconductores podrían ser ideales para la transmisión rápida de datos y energía, y sus potentes campos electromagnéticos podrían facilitar el transporte levitatorio de alta velocidad.

El reto de estudiar el movimiento de los electrones es que estas partículas son increíblemente pequeñas y se mueven a gran velocidad, lo que dificulta su observación. Para solucionar este problema, el equipo del MIT encontró una forma de reproducir este comportamiento utilizando átomos, que son más grandes y lentos.

Superconductividad en los límites

Los investigadores se centraron en una forma de superconductividad conocida como estados de borde. En ciertos materiales, los electrones no fluyen libremente, sino que se limitan a los bordes, donde se mueven sin fricción. Incluso cuando se encuentran con obstáculos, se deslizan a su alrededor sin problemas en lugar de rebotar como harían normalmente.

En el caso de los electrones, estos estados de borde se producen en femtosegundos (cuatrillonésimas de segundo) y abarcan distancias de meras fracciones de nanómetro, lo que dificulta su observación. Los átomos, sin embargo, hacen que este comportamiento sea mucho más fácil de ver.

«En nuestro sistema, la misma física ocurre con los átomos, pero a escala de milisegundos y micras», explica Martin Zwierlein, coautor del estudio. «Esto nos permite capturar imágenes y observar cómo los átomos se mueven lentamente a lo largo del borde del sistema durante periodos prolongados».

El equipo atrapó alrededor de un millón de átomos de sodio en un láser a temperaturas justo por encima del cero absoluto, haciéndolos girar rápidamente en círculos.

Los átomos se comportan como electrones en un campo magnético

«La trampa tira de los átomos hacia dentro, mientras que la fuerza centrífuga tira de ellos hacia fuera», explica Richard Fletcher, coautor del estudio. «Estas fuerzas se equilibran entre sí, de modo que los átomos se comportan como si estuvieran en un espacio plano, aunque su mundo esté girando». Una tercera fuerza, el efecto Coriolis, los desvía cuando intentan moverse en línea recta, haciendo que estos átomos pesados se comporten como electrones en un campo magnético».

El equipo introdujo entonces un borde: un anillo de luz láser que formaba un límite. Cuando los átomos tocaban el anillo, se adherían a él y se movían libremente a lo largo del borde en una dirección.

Para comprobar aún más su comportamiento, los investigadores añadieron obstáculos iluminando el anillo con puntos de luz. A pesar de las interferencias, los átomos fluyeron sin esfuerzo alrededor de los obstáculos.

«Colocamos deliberadamente una luz verde grande y repelente, y los átomos deberían haber rebotado en ella», explica Fletcher. «Pero en lugar de eso, navegaron suavemente a su alrededor, volvieron al borde y continuaron moviéndose».

Este comportamiento de los átomos refleja fielmente cómo se mueven los electrones en los estados de borde, haciéndolo visible por primera vez. Los científicos pueden ahora utilizar este modelo para explorar nuevas teorías, mejorando potencialmente los materiales superconductores.

«Es una realización clara de la física elegante, y podemos demostrar directamente la importancia del borde», añade Fletcher. «El siguiente paso es añadir más obstáculos e interacciones al sistema, donde los resultados se vuelven menos predecibles».

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