El principio central de la superconductividad es que los electrones forman pares. Pero ¿pueden también condensarse en cuartetos? Hallazgos recientes han sugerido que sí pueden y un físico del kth Royal Institute of Technology publicó recientemente la primera evidencia experimental de este efecto cuadriplicado y el mecanismo por el cual ocurre este estado de la materia.
Publicado en la revista Nature Physics el pasado 20 de octubre, el profesor Egor Babaev y sus colaboradores presentaron evidencia de que el fermión se cuadruplica en una serie de mediciones experimentales en el material a base de hierro, Ba1 − xKxFe2As2. Los resultados se obtuvieron casi 20 años después de que Babaev pronosticara por primera vez este tipo de fenómeno, y después de ocho años de la publicación de un artículo en el que predijo que esto podría ocurrir en el material.
El emparejamiento de electrones permite el estado cuántico de superconductividad; un estado de conductividad de resistencia cero que se utiliza en escáneres de resonancia magnética y en computación cuántica. Esto ocurre dentro de un material en el cual dos electrones se unen en vez de repelerse entre sí, como lo harían en el vacío. El fenómeno fue descrito por primera vez en la teoría desarrollada por Leon Cooper, John Bardeen y John Schrieffer, cuyo trabajo fue galardonado con el Premio Nobel en 1972.
Los llamados pares de Cooper son básicamente “opuestos que se atraen”. Normalmente, dos electrones, que son partículas subatómicas cargadas negativamente, se repelerían fuertemente entre sí, pero a bajas temperaturas en un cristal se unen libremente en pares, dando lugar a un orden robusto de largo alcance. Las corrientes de pares de electrones ya no se dispersan por defectos y obstáculos, y un conductor puede perder toda la resistencia eléctrica, convirtiéndose en un nuevo estado de la materia: un superconductor.
Tan sólo en años recientes el planteamiento teórico de cuatro fermiones condensados ha sido aceptado ampliamente. Para que un estado de fermiones cuadruplicados ocurra, debe haber algo que impida la condensación de pares y evite su flujo sin resistencia, al tiempo que permita la condensación de compuestos de cuatro electrones, señala Babaev. La teoría de Bardeen-Cooper-Schrieffer no concebía tal comportamiento, por lo que cuando el colaborador experimental de Babaev en la Universidad Técnica de Dresden, Vadim Grinenko, encontró en 2018 los primeros signos de un fermión cuadruplicado condensado, resultó ser un desafío al acuerdo científico que prevalecía desde hace años.
Luego siguieron tres años de experimentación e investigación en laboratorios de múltiples instituciones para validar el hallazgo.
Babaev dice que la clave entre las observaciones hechas es que la condensación fermiónica cuadruplicada rompe espontáneamente la simetría de inversión temporal. En física la simetría de inversión temporal es una operación matemática que reemplaza la expresión de tiempo con su negativo en fórmulas o ecuaciones, las cuales describen un evento en el que el tiempo corre hacia atrás o todos los movimientos son invertidos.
Si uno invierte la dirección del tiempo, las leyes fundamentales de la física se mantienen. Eso también es válido para los superconductores típicos: si la flecha del tiempo se invierte, un superconductor típico seguiría estando en el mismo estado:
“Sin embargo, en el caso de un condensado de los cuatro fermiones que informamos, la inversión de tiempo lo pone en un estado diferente”, apunta Babaev. Y continúa: “probablemente se necesitarán muchos años de investigación para comprender completamente este estado”. Por último, agrega que “los experimentos abren una serie de nuevas preguntas, revelando un número de otras propiedades inusuales asociadas con su reacción a gradientes térmicos, campos magnéticos y ultrasonido que todavía tiene que entenderse mejor”.