Una débil señal eléctrica apunta a una pieza que faltaba
Pares de electrones con energías de hasta 70 milielectronvoltios han dado a los físicos una nueva pista sobre un misterio que lleva casi cuatro décadas sin resolverse: por qué los superconductores de óxido de cobre pierden la resistencia eléctrica a temperaturas muy superiores a las de los superconductores convencionales. Al medir pequeñas fluctuaciones de la corriente eléctrica, los investigadores descubrieron que el emparejamiento seguía la energía de una característica desconcertante llamada pseudogap, incluso cuando esa energía cambiaba en la superficie de un cristal.
Contenido
- Una débil señal eléctrica apunta a una pieza que faltaba
- Qué significa el pseudogap
- Detectar pares en vez de electrones individuales
- Cuatro años de trabajo para detectar una señal débil
- La energía de emparejamiento siguió al pseudogap
- Un campo magnético aportó otra comprobación
- Por qué formar pares es solo el primer paso
- La temperatura ambiente es una meta, pero hay que cerrar una brecha de medición
- Los próximos experimentos separarán el emparejamiento de la coordinación
- Puntos clave
El equipo, dirigido por Milan Allan, de la Universidad Ludwig Maximilian de Múnich, e Ingmar Swart, de la Universidad de Utrecht, junto con colaboradores de Leiden y otras instituciones, estudió un material de óxido de cobre conocido como BSCCO. Sus resultados vinculan el pseudogap con la formación de pares de electrones y centran la atención en otro requisito para la superconductividad: lograr que esos pares actúen de forma coordinada.
El estudio de Jiasen Niu y sus colegas, titulado Equivalence of pseudogap and pairing energy in a cuprate high-temperature superconductor, se publicó en Science el 5 de noviembre de 2026, según el comunicado de investigación de la universidad. Su DOI es 10.1126/science.adt3444. El experimento ofrece un objetivo más preciso para las investigaciones que buscan materiales capaces de conducir electricidad sin resistencia a temperaturas más altas.
Qué significa el pseudogap
El BSCCO pertenece a una familia de materiales de óxido de cobre llamados cupratos. Por encima de la temperatura a la que estos materiales se vuelven superconductores, las mediciones pueden mostrar que hay menos estados electrónicos disponibles en un intervalo de energía determinado. Los físicos llaman pseudogap a esta escasez parcial. Los electrones siguen en el material, pero su comportamiento cambia lo que pueden detectar los instrumentos de medición.
Durante décadas han competido dos explicaciones generales. Los electrones podrían organizarse en patrones, como ondas de densidad de carga, en los que la carga eléctrica forma una estructura repetitiva. Otra posibilidad es que los electrones ya se estén uniendo en pares de Cooper, el estado emparejado asociado con la superconductividad, antes de que el material pueda conducir corriente sin resistencia.
La diferencia importa porque cambia lo que los investigadores deberían intentar mejorar. Si los pares ya existen, uno de los principales retos pasa a ser organizarlos en un estado cuántico común. Las nuevas mediciones sitúan el emparejamiento de electrones en el centro del pseudogap, aunque permiten que los patrones de carga y el emparejamiento coexistan.
Detectar pares en vez de electrones individuales
Los investigadores buscaron pares midiendo el ruido de disparo, las pequeñas fluctuaciones aleatorias que se producen porque la carga eléctrica llega en cantidades discretas. La corriente puede parecer uniforme a escala cotidiana, pero un instrumento suficientemente sensible puede detectar sus irregularidades microscópicas.
Allan, uno de los responsables de la investigación, explicó el principio comparando la carga eléctrica con gotas de lluvia que golpean un tejado:
Si imaginan que tienen gotas de lluvia y, de repente, hacen que las gotas pesen el doble, habrá más ruido.
Los pares de electrones transportan el doble de carga que los electrones individuales. Su contribución modifica el ruido de la corriente, lo que permite a los investigadores identificar el emparejamiento en lugar de basarse únicamente en los cambios en la cantidad de estados electrónicos detectables.
El equipo utilizó un microscopio de efecto túnel, que hace pasar corriente entre una punta extremadamente afilada y una muestra. Al mover la punta, pudieron medir distintos puntos de la superficie. Al cambiar el voltaje, seleccionaron la energía que iban a examinar. En conjunto, esos controles permitieron a los investigadores comparar el pseudogap local con la señal local de emparejamiento.
Cuatro años de trabajo para detectar una señal débil
El BSCCO planteó un problema de medición exigente. En los superconductores convencionales, el emparejamiento puede producir una duplicación clara del ruido de disparo. En el experimento con cupratos, los electrones individuales seguían contribuyendo a la corriente junto con los pares, lo que hacía mucho más débil el ruido adicional.
Los estudiantes dedicaron unos cuatro años a perfeccionar los circuitos electrónicos necesarios para extraer esa señal. Los propios investigadores desarrollaron y construyeron el equipo, que les proporcionó la sensibilidad necesaria para distinguir las contribuciones de los electrones individuales y de los pares de electrones.
Allan describió el esfuerzo que requirió el instrumento:
No hubo un único truco. Fue una labor de ingeniería electrónica.
Los investigadores también tuvieron que examinar otras posibles causas de las fluctuaciones de corriente, incluidos los movimientos de los átomos en la superficie. Determinar dónde aparecía el ruido adicional, cómo cambiaba de un punto a otro y cómo respondía a un campo magnético se convirtió en una parte esencial del experimento.
La energía de emparejamiento siguió al pseudogap
Los cristales de BSCCO, compuestos de bismuto, estroncio, calcio, cobre y oxígeno, se enfriaron hasta unos pocos grados por encima del cero absoluto. En cada punto examinado, el ruido adicional asociado con el emparejamiento apareció en la energía local del pseudogap. Cuando la energía del pseudogap cambiaba, la señal de emparejamiento la seguía.
En una presentación del 19 de marzo de 2025, Maialen Ortego Larrazabal, investigadora de Utrecht, describió en la Cumbre Global de Física de la APS energías de emparejamiento de hasta 70 milielectronvoltios, o meV. El resumen de la presentación de la APS también registró que la energía de emparejamiento variaba en el material e identificó el prepublicado relacionado como arXiv:2409.15928.
El milielectronvoltio es una unidad de energía utilizada para describir procesos a escala de átomos y electrones. En este caso, la energía de emparejamiento describe la intensidad del estado emparejado. El resultado importante fue la estrecha correspondencia entre esa energía y el pseudogap, incluidas sus variaciones locales.
La misma relación apareció en muestras con distintas composiciones químicas. Esto permitió a los investigadores observar una conexión repetida tanto en distintos puntos de la superficie como en diferentes muestras, en lugar de una correspondencia detectada en un solo punto.
Un campo magnético aportó otra comprobación
Los investigadores aplicaron campos magnéticos de hasta 6 teslas para comprobar el origen del ruido adicional. A medida que el campo aumentaba y suprimía la contribución del emparejamiento, el ruido volvía a acercarse al nivel asociado con los electrones individuales. Mientras tanto, el patrón general de reducción de los estados electrónicos se mantuvo en gran medida.
Esta respuesta reforzó la relación entre el ruido adicional y el emparejamiento de electrones. Ahora, cualquier explicación del pseudogap debe dar cuenta del emparejamiento, además de las posibles estructuras de carga presentes en el material.
Swart, responsable de la investigación en la Universidad de Utrecht, describió la conclusión:
Sea cual sea la explicación detallada del pseudogap, el emparejamiento debe formar parte de ella.
Las ondas de densidad de carga aún podrían estar entrelazadas con el estado emparejado. El reto consiste en explicar cómo encajan estos comportamientos y cómo afectan a la temperatura a la que comienza la superconductividad.
Por qué formar pares es solo el primer paso
La superconductividad requiere tanto el emparejamiento de electrones como la coherencia de fase. La coherencia de fase significa que los pares comparten un estado cuántico organizado en todo el material. Una comparación sencilla sería una pista de baile: cada pareja puede moverse al unísono, pero el grupo entero todavía necesita un ritmo común.
En los superconductores convencionales, el emparejamiento y la coordinación colectiva aparecen juntos a la temperatura crítica, que suele escribirse como Tc. Los resultados con cupratos respaldan una secuencia distinta: el emparejamiento se asocia con una escala de energía mayor y la coherencia colectiva aparece solo cuando el material se enfría aún más.
Swart explicó el panorama que surge de las mediciones:
Así que el panorama que se perfila es que primero se forman pares y, solo a temperaturas más bajas, aparece la coherencia de fase.
Para los investigadores que intentan elevar la Tc, esto desplaza la atención hacia los factores que controlan la coordinación entre los pares. Un emparejamiento fuerte podría permitir alcanzar una temperatura de transición más alta si el material también puede mantener la coherencia. Por eso, es necesario estudiar por separado la intensidad del emparejamiento y el inicio del comportamiento coordinado.
La temperatura ambiente es una meta, pero hay que cerrar una brecha de medición
El comunicado de la universidad presenta la intensidad del emparejamiento como un dato alentador para la búsqueda de superconductividad a temperatura ambiente. Swart sostiene que la interacción que mantiene unidos los pares puede ser lo bastante intensa como para persistir a esas temperaturas, por lo que la coherencia de fase sería probablemente el principal obstáculo.
Swart expuso esa interpretación en el comunicado:
El 'pegamento' que mantiene unidos los pares es lo bastante fuerte para que sigan unidos incluso a temperatura ambiente.
Las mediciones directas del ruido se realizaron a temperaturas muy bajas. La técnica pierde sensibilidad a medida que aumenta la temperatura, y el equipo no pudo medir la señal de emparejamiento por encima de Tc, donde suele estudiarse el pseudogap. Las mediciones directas en ese intervalo más cálido siguen siendo un objetivo experimental; la interpretación sobre la temperatura ambiente se basa en la energía de emparejamiento medida.
Allan también prevé que la búsqueda abarque varios efectos físicos relacionados, en lugar de un único ajuste. Para lograr coherencia a temperaturas más altas será necesario comprender cómo se influyen entre sí el emparejamiento, los patrones de carga y otras propiedades del material.
Los próximos experimentos separarán el emparejamiento de la coordinación
Swart quiere crear mapas de ruido con mayor detalle espacial y, con el tiempo, construir un instrumento que detecte directamente la coherencia de fase. Medir ambas propiedades por separado podría mostrar dónde aparece el emparejamiento, dónde se desarrolla la coherencia y qué cambia en la transición superconductora.
Las mediciones a temperaturas más altas son otra prioridad. Ampliar la técnica de ruido por encima de Tc permitiría a los investigadores estudiar directamente el emparejamiento en el intervalo de temperatura más relacionado con el pseudogap. No se indicó una fecha para completar estos avances.
El trabajo ya ha pasado por varias etapas públicas:
- 19 de marzo de 2025: Ortego Larrazabal presentó en la Cumbre Global de Física de la APS mediciones locales de ruido y energías de emparejamiento de hasta 70 meV.
- 5 de noviembre de 2026: El comunicado de la universidad registra la publicación del estudio en Science.
- Próximos objetivos de investigación: mejorar la resolución espacial, ampliar las mediciones a temperaturas más altas y detectar directamente la coherencia de fase.
Allan también considera que la química y los experimentos asistidos por inteligencia artificial pueden contribuir a encontrar mejores materiales. Comprender la física permite identificar objetivos prometedores, mientras que crear y probar nuevas composiciones puede revelar qué combinaciones elevan realmente la Tc.
La motivación práctica es considerable. La resistencia convierte en calor una parte de la energía eléctrica útil, mientras que la superconductividad permite que la corriente fluya sin esa pérdida. La refrigeración sigue siendo un obstáculo importante para muchas tecnologías superconductoras. Un material que mantuviera tanto el emparejamiento como la coherencia a temperaturas más altas podría reducir esa carga, pero el logro inmediato es una comprensión más precisa de lo que los investigadores deben medir y controlar.
Puntos clave
- Los investigadores vincularon el pseudogap del BSCCO con el emparejamiento de electrones mediante la medición de pequeñas fluctuaciones de la corriente eléctrica.
- Las energías de emparejamiento alcanzaron los 70 meV y variaron en la superficie, siguiendo la energía local del pseudogap.
- Los campos magnéticos de hasta 6 teslas redujeron el ruido adicional hasta acercarlo al nivel asociado con los electrones individuales.
- Los resultados respaldan la idea de que los pares se forman antes de adquirir la coordinación colectiva necesaria para la superconductividad.
- El experimento midió el ruido a temperaturas muy bajas. Las mediciones directas por encima de la transición superconductora siguen siendo un objetivo.
- Los próximos trabajos se centrarán en realizar mediciones a temperaturas más altas, crear mapas más detallados y detectar directamente la coherencia de fase.
