El ruido eléctrico aclara por qué desaparecen electrones en los cupratos superconductores

Desde finales de los años ochenta se sabe que los cupratos, materiales cerámicos basados en óxido de cobre, pueden conducir electricidad sin resistencia a temperaturas alcanzables con nitrógeno líquido. Casi cuatro décadas después, la explicación microscópica de por qué lo hacen sigue abierta. Un equipo dirigido por Milan Allan, de la Universidad Ludwig Maximilian de Múnich, e Ingmar Swart, de la Universidad de Utrecht, ha publicado en Science una medición que estrecha el cerco: el llamado pseudogap, esa desaparición aparente de electrones por encima de la temperatura crítica, tiene la misma energía que los pares que sostienen la superconductividad.

El resultado no demuestra una receta para superconductores a temperatura ambiente ni convierte los cupratos en algo distinto de lo que son. Lo que hace es respaldar una de las dos grandes interpretaciones que competían desde hace décadas y descartar, al menos en el material estudiado, que el pseudogap sea una fase rival que compita con la superconductividad.

Qué es el pseudogap y por qué importa

Por encima de la temperatura crítica, los cupratos dejan de ser superconductores pero no se comportan como un metal normal. En determinadas energías aparecen muchos menos electrones de los que deberían, como si se hubieran esfumado. Ese hueco en el espectro es el pseudogap. “Es un fenómeno de electrones que faltan”, explicó Allan a Ars Technica. “Todo el mundo ve que desaparecen con distintas sondas, pero nadie sabe por qué”.

Había dos explicaciones principales. Una sostiene que los electrones quedan atrapados en estructuras periódicas, como ondas de densidad de carga, y que la superconductividad surge por otro camino. La otra defiende que los electrones no desaparecen: se emparejan. Esos pares de Cooper son los que transportan corriente sin resistencia. Si se forman antes de que el material sea superconductor, actuarían como una antesala: parejas ya constituidas que todavía no pueden moverse de forma coherente.

Distinguir ambas posibilidades exigía observar los pares directamente. Las técnicas habituales veían una señal mezclada, difícil de interpretar. El equipo recurrió a la espectroscopia de ruido de disparo (shot noise), que mide las fluctuaciones diminutas de la corriente al atravesar una unión. El ruido cambia según cómo se agrupen los electrones, de modo que permite contar pares sin depender de una señal óptica o de una respuesta macroscópica.

Qué midieron

Los investigadores trabajaron con BSCCO, un cuprato de bismuto, estroncio, calcio y cobre, y aplicaron campos magnéticos de hasta 6 teslas para controlar el estado del material. La energía del pseudogap que observaron llegó a unos 70 meV en las condiciones estudiadas. Al compararla con la energía de los pares, encontraron que ambas escalas coinciden: el pseudogap y la formación de pares son dos manifestaciones del mismo fenómeno, no dos efectos que compitan.

La lectura física es que los pares aparecen antes que la coherencia de fase. El material aún no conduce sin resistencia porque los pares no han adquirido una fase común, pero ya están ahí. Es una imagen parecida a la de un líquido de pares que se ordena al bajar más la temperatura. El trabajo se publicó en Science el 5 de noviembre, en el volumen 394, página 682, con el título “Equivalence of pseudogap and pairing energy in a cuprate high-temperature superconductor”.

La medición no es una prueba universal. Se limita a un compuesto y a un rango de temperaturas y campos. Tampoco identifica el mecanismo que une a los electrones, que es otra de las grandes preguntas del campo. Pero sí elimina una ambigüedad importante: en este cuprato, la desaparición de electrones no se debe a una fase que les impida emparejarse.

Qué cambia y qué no

El hallazgo encaja con las teorías de pares preformados, en las que la superconductividad aparece en dos etapas: primero se forman los pares y después se sincronizan. También ayuda a explicar por qué el pseudogap aparece en tantas medidas distintas sin que ninguna fuera concluyente por separado. Si es la energía de enlace de los pares, cada sonda lo ve desde un ángulo diferente.

No cambia, en cambio, la situación práctica. Los cupratos siguen necesitando temperaturas criogénicas, aunque sean más altas que las de los superconductores convencionales. No hay un material nuevo, ni un récord de temperatura crítica, ni un prototipo de cable que pueda instalarse en una red eléctrica. La superconductividad a temperatura ambiente sigue sin demostrarse.

La relevancia está en el conocimiento básico, que a largo plazo es lo que permite diseñar materiales. Si el pseudogap es la huella de los pares, medirlo se convierte en una forma de evaluar candidatos y de entender por qué algunos cupratos alcanzan temperaturas críticas más altas que otros. También ofrece un criterio para distinguir teorías: cualquier modelo que trate el pseudogap como una fase competidora tendrá que explicar esta coincidencia energética.

Una pregunta de casi cuarenta años

Los cupratos fueron descubiertos en 1986 y pronto superaron la temperatura de ebullición del nitrógeno líquido, un hito que abrió la puerta a aplicaciones fuera de los laboratorios criogénicos. La teoría BCS, que explica la superconductividad convencional, no basta para describirlos: son materiales fuertemente correlacionados, en los que las interacciones entre electrones no pueden tratarse como una perturbación pequeña.

El debate sobre el pseudogap ha consumido décadas y miles de artículos. La nueva medición no lo cierra, pero aporta algo que escaseaba: una comparación directa entre dos magnitudes que antes solo se inferían por separado. En ciencia de materiales, ese tipo de dato suele valer más que una confirmación parcial.

El siguiente paso será repetir la técnica en otros cupratos, con distintos dopajes y temperaturas críticas, para comprobar si la equivalencia se mantiene. Si se mantiene, el pseudogap dejaría de ser un misterio independiente y pasaría a ser una herramienta para estudiar la formación de pares. Si no, el equipo habrá encontrado una excepción que obligue a revisar el modelo.