Superconductividad inducida por luz en YBa2Cu3O6.48

La superconductividad es un fenómeno fascinante que permite a un material sostener una corriente eléctrica sin ninguna pérdida. Este comportamiento cuántico colectivo de la materia solo aparece en ciertos conductores a temperaturas muy por debajo de la ambiente.

Una serie de estudios modernos han investigado este comportamiento en los llamados estados fuera del equilibrio, es decir, en situaciones en las que el material se aleja del equilibrio térmico. En estas condiciones, parece que al menos algunas de las características de la superconductividad se pueden recrear incluso a temperatura ambiente. Dicha superconductividad de alta temperatura fuera del equilibrio, que se ha demostrado que existe bajo irradiación con un pulso láser, puede ser útil para aplicaciones diferentes a las previstas para la versión estacionaria de la superconductividad, como, por ejemplo, en dispositivos de alta velocidad controlados por pulsos láser.

Este fenómeno se ha denominado “superconductividad inducida por la luz”, lo que indica una analogía con su contraparte en equilibrio.

Una frontera importante en la última década ha sido caracterizar las propiedades de uno de estos estados superconductores inducidos por la luz y comprender hasta qué punto esta fase reproduce las propiedades conocidas de un superconductor convencional.

Además de ser capaces de transportar corrientes eléctricas sin pérdida, los superconductores también son conocidos por expulsar los campos magnéticos de su interior. Este fenómeno, conocido en condiciones de equilibrio como el efecto Meissner, es una consecuencia directa de la coherencia mutua de los portadores de carga y de su tendencia a marchar al unísono. Sin embargo, medir la expulsión de los campos magnéticos para la superconductividad inducida por la luz ha sido un desafío, porque el efecto solo persiste durante unos pocos picosegundos (una billonésima de segundo), lo que hace imposible medir los cambios del campo magnético con precisión.

Un equipo de investigadores del Instituto Max Planck para la Estructura y Dinámica de la Materia (MPSD) en Hamburgo, Alemania, dirigido por Andrea Cavalleri, ha desarrollado un nuevo experimento capaz de monitorear las propiedades magnéticas de los superconductores a velocidades muy rápidas. Han trabajado con YBa₂Cu₃O_6+x irradiado por láser, un compuesto para el que la superconductividad estática solo se observa hasta aproximadamente -200 grados Celsius. “Hemos descubierto que el YBa₂Cu₃O_6.48 fotoexcitado, además de presentar una resistencia cercana a cero, también expulsa un campo magnético estático de su interior”, dice Sebastian Fava, autor del artículo ahora publicado en Nature.

Este experimento fue posible colocando un cristal observador en la vecindad inmediata de la muestra bajo investigación y utilizándolo para medir la intensidad del campo magnético local. El cristal refleja los cambios en el campo magnético en cambios en el estado de polarización de un pulso láser de femtosegundos. “Debido a la corta duración del pulso de la sonda, podemos reconstruir la evolución temporal del campo magnético que rodea la muestra de YBa₂Cu₃O_6.48 con una resolución subpicosegundos y una sensibilidad sin precedentes”, dice Giovanni de Vecchi, uno de los co-autores.

“La expulsión del campo magnético inducida por la foto que observamos es comparable en tamaño a la que se mide cuando YBa₂Cu₃O_6+x se hace superconductor en equilibrio por enfriamiento”, agrega el coautor Michele Buzzi. “Esto sugiere que forzar el material puede incluso ser una ruta efectiva para acercar sus propiedades superconductoras a las condiciones ambientales”, continúa el coautor Gregor Jotzu, ahora miembro de la facultad de la EPFL y jefe del Laboratorio de Materiales Cuánticos Dinámicos. Como todavía falta un consenso sobre el origen microscópico de la superconductividad inducida por la luz en YBa₂Cu₃O_6.48, estos resultados son un punto de referencia importante para las teorías actuales.

En YBa₂Cu₃O_6+x, el orden superconductor no desaparece por completo por encima de la temperatura de transición superconductora de equilibrio y se mantiene un cierto orden superconductor fluctuante local, de forma algo similar a un estado desordenado. Estos descubrimientos innovadores sugieren que la fotoexcitación de YBa₂Cu₃O_6+x con pulsos de luz adaptados se puede utilizar para sincronizar este estado fluctuante y restaurar el orden superconductor a temperaturas mucho más altas que las a las que el material se vuelve superconductor en equilibrio, hasta la temperatura ambiente.

La investigación en el MPSD recibió apoyo financiero de la Deutsche Forschungsgemeinschaft a través del Clúster de Excelencia CUI: Advanced Imaging of Matter. El MPSD es miembro del Centro de Ciencia del Láser de Electrones Libres (CFEL), una empresa conjunta con DESY y la Universidad de Hamburgo. La investigación se llevó a cabo en estrecha colaboración con científicos del Instituto Max Planck para la Investigación de Sólidos (MPI-FKF).