Partículas y antipartículas en un superconductor nanométrico

Un equipo internacional con participación de científicos del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) ha demostrado la superconductividad inducida en una estructura nanométrica que combina hilos semiconductores con un material superconductor. Los resultados, publicados en la revista Nature Nanotechnology, explican por primera vez las propiedades magnéticas de los estados excitados de electrones y huecos en este sistema y podrían abrir nuevos campos de estudio en nanotecnología.

A temperaturas muy bajas, algunos metales se convierten en superconductores y cambian radicalmente sus propiedades eléctricas y magnéticas. En particular, los superconductores, que tienen numerosas aplicaciones, no ejercen resistencia al paso de la corriente eléctrica, por lo que la conducción de los electrones se realiza sin pérdidas de energía. 

“Cuando un material superconductor se encuentra en su estado de energía más baja, se convierte en una onda cuántica colectiva formada por pares de Cooper, parejas de electrones que se unen a pesar de ser cargas negativas que tienden a repelerse. En nuestro trabajo hemos demostrado esta superconductividad inducida en hilos semiconductores de tamaño nanométrico”, explica Ramón Aguado, investigador del CSIC en el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid.

Hacia la computación cuántica topológica

En estos nanohilos semiconductores acoplados a contactos de vanadio, un material superconductor, los investigadores han analizado las propiedades de la onda cuántica colectiva cuando es excitada y sale de su estado de energía más baja. “Nuestro trabajo ha explicado por primera vez las propiedades magnéticas de estos estados excitados. Hemos demostrado, tal y como contempla la teoría, que estas propiedades magnéticas cambian cuando pasamos de tener pares de Cooper a superposiciones de electrones y huecos, las cuales se denominan estados de Andreev”, precisa el investigador del CSIC.

Esos “huecos” son en realidad la ausencia de electrones o de carga eléctrica, la cual se comporta de manera efectiva como una partícula cargada positivamente. Aguado explica: “En un superconductor, un hueco es, a todos los efectos, la antipartícula del electrón. Gran parte del interés de estos sistemas reside en la posibilidad de crear estados de Andreev a energía cero. Estas excitaciones tienen la peculiaridad de que son mitad electrón mitad hueco, o lo que es lo mismo, partículas iguales a sus antipartículas, los denominados fermiones de Majorana”.

Estos fermiones, aparte del interés fundamental que tienen, podrían dar lugar a formas de computación cuántica más robustas, con gran tolerancia a posibles fallos, como la computación cuántica topológica. Según el investigador del CSIC, se especula que los neutrinos son fermiones de Majorana, a pesar de que aún no existen pruebas definitivas.

“Lo interesante es que se podría demostrar esta propiedad relativista en la nanoescala antes que en las grandes instalaciones de detección de neutrinos. Asimismo, hay un gran interés en su posible aplicación tecnológica a largo plazo”, agrega Aguado.