En las circunstancias correctas, los electrones individuales pueden formar asociaciones que les permiten desplazarse sin esfuerzo a través de materiales especiales llamados superconductores – dejándoles conducir corriente eléctrica sin resistencia.
Eso en sí mismo es bastante impresionante. Pero ahora los físicos han encontrado evidencia de estas asociaciones cuánticas, conocidas como 'Pares de Cooper'- también son capaces de actuar como una marca nueva Estado de la materia.
Una colaboración de investigadores de China y EE. UU. Descubrió la extraña actividad de los electrones en un experimento diseñado para resolver una pregunta de larga data sobre si hay algún punto intermedio entre el roaming libre y los pares de Cooper encerrados.
Tradicionalmente se pensaba que los pares de Cooper tenían solo estos dos estados: se deslizan sin esfuerzo para crear un estado superconductor o crean un estado aislante al atascarse en un material y no dejar pasar ninguna corriente.
Ahora también se ha descubierto que estos matrimonios cuánticos tienen un estado intermedio, no una corriente superconductora, pero tampoco la bloquean. Algo así como electrones individuales normales.
Y si bien eso suena como una pérdida de superpoderes, este estado intermedio no se parece a nada que hayamos visto antes. De hecho, está llamando la atención como un nuevo Estado de la materia.
Para entender esto, tenemos que retroceder un poco.
Por lo general, electrones, como cualquier otro 'fermion'partícula tipo, tienen su propia identidad incrustada en una firma cuántica, lo que significa que nunca pueden ocupar el mismo espacio.
Es por eso dos fermiones no puede ocupar el mismo espacio, mientras que las partículas llamadas bosones
Pero en la década de 1970, un físico estadounidense llamado Leon Cooper Resulta que los electrones en el tipo adecuado de material conductor pueden formar asociaciones entre sí a temperaturas suficientemente bajas.
Fueron nombrados pares de Cooper, y un resultado notable de este emparejamiento es la pérdida de una identidad cuántica clara, dándoles una naturaleza fantasmal similar a bosones. Esto les ayuda a deslizarse fácilmente a través de la red de átomos que forman un material, creando un estado superconductor.
Los superconductores son apreciados por los ingenieros por su eficiencia en el transporte de energía, perdiendo poco, si acaso, como calor. Desafortunadamente, la practicidad de los superconductores es bastante limitada, ya que requiere extremadamente frio o presión extrema trabajar.
Uno de los principales objetivos de la física moderna es determinar exactamente cómo funcionan los pares de Cooper y cómo podríamos crearlos sin necesidad de apretar fuerte o bajar la temperatura.
De vuelta en 2007, un pequeño equipo de físicos de la Universidad de Brown en los EE. UU. descubrió que los pares de Cooper también tenían un segundo estado: que era posible crear un material que realmente atrapara estos pares de electrones fantasmales en pequeñas islas super conductoras, congelándolos efectivamente en sus pistas.
Eso significaba que los pares de Cooper podían correr a toda velocidad a través de un conductor o sentarse relativamente quietos en un aislante.
En el último experimento, los investigadores de ese mismo equipo querían hacer un material que permitiera a los pares de Cooper moverse a un ritmo pausado, al igual que los electrones individuales, ya que viajan a través de cualquier metal de jardín a temperatura ambiente.
"Había evidencia de que este estado metálico surgiría en los superconductores de película delgada a medida que se enfriaran hacia su temperatura superconductora, pero si ese estado involucraba o no pares de Cooper era una pregunta abierta". dice el físico de la Universidad de Brown Jim Valles.
"Hemos desarrollado una técnica que nos permite probar esa pregunta y demostramos que, de hecho, los pares de Cooper son responsables de transportar la carga en este estado metálico".
La técnica se centró en una oblea de material similar a la utilizada en los experimentos de 2007 sobre aislamiento de pares de Cooper.
Una delgada tira de óxido de cobre y bario de itrio superconductor salpicada con matrices hexagonales de fosas de tamaño nanométrico (que se muestra a continuación) fue expuesta a campos magnéticos mientras una corriente la atravesaba.
El material superconductor utilizado en el experimento, con pequeños agujeros perforados. (Laboratorio Valles / Universidad de Brown)
Según sus modelos, el campo magnético debería hacer que el flujo de electrones corra vueltas alrededor de los pozos. Para probar si estaban corriendo solos o como parejas de Cooper, los investigadores solo necesitaban medir su frecuencia.
"En este caso, encontramos que la frecuencia es consistente con que haya dos electrones circulando a la vez en lugar de uno solo. Entonces podemos concluir que los portadores de carga en este estado son pares de Cooper y no electrones individuales". dice Valles.
Eso significa que no se parece en nada a otros estados metálicos conocidos donde los electrones corren individualmente un maratón o corren en pares. Este tercer estado muestra que hay grados de control para bosón-como electrones.
Los físicos aún tienen que encontrar una explicación para el comportamiento extraño, pero dado este particular superconductor pueden operar a una temperatura relativamente templada de -181 Celsius (-294 Fahrenheit; ¡mejor que cerca del cero absoluto!), no deberían tener problemas para realizar más experimentos.
Más allá de los aspectos interesantes de encontrar un nuevo estado para los metales, podría ser la base de nuevos tipos de tecnología futura.
"Lo que pasa con los bosones es que tienden a estar en un estado más parecido a una onda que los electrones, por lo que hablamos de que tienen una fase y crean interferencia de la misma manera que la luz". dice Valles.
"Por lo tanto, podría haber nuevas modalidades para mover la carga en los dispositivos jugando con interferencia entre los bosones".
Esta investigación se publica en Ciencias.