Saltar ao contido principal
Xornal  »  O Premio Nobel de Física 2016 e os supercondutores bidimensionais fabricados e estudados na USC

Félix Vidal: O Premio Nobel de Física 2016 e os supercondutores bidimensionais fabricados e estudados na USC


O recente Premio Nobel de Física concedido a John M. Kosterlitz, David J. Thouless e Duncan Haldane recoñece as súas contribucións aos aspectos teóricos da física de sistemas en dimensións reducidas, nalgúns casos utilizando de xeito pioneiro métodos da topoloxía matemática. Por sistemas con dimensións reducidas enténdense aqueles con algunhas das súas dimensións espaciais (por exemplo, o espesor no caso dunha capa delgada) máis pequena que as lonxitudes características do fenómeno que se estuda  (por exemplo, a lonxitude de coherencia cuántica no caso dun supercondutor). Os traballos de Kosterlitz, Thouless e Haldane abriron unha nova e moi frutífera sub-área da Física da Materia Condensada e dos Materiais: As denominadas transicións de fase topolóxicas e as fases topolóxicas da materia, cun gran impacto conceptual incluso máis aló da Física da Materia Condensada e de Materiais, e con potenciais aplicacións en electrónica e en información cuántica.   

Como recoñeceu a propia Academia de Ciencias Sueca na xustificación detallada da súa decisión, o punto de partida da investigación científica premiada este ano foron os traballos publicados a partir de 1971 polo físico teórico ruso Vadim Berezinskii, falecido en 1981, e os realizados independentemente, un ano máis tarde, por Kosterlitz e Thouless. Neses primeiros traballos demostrábase que nos superfluidos e nos supercondutores bidimensionais (por exemplo, capas delgadas de moi pequeno espesor, inferior ao micrómetro) poderían aparecer espontaneamente parellas de vórtices e antivórtices cuánticos (no caso dos supercondutores, cun cuanto de fluxo magnético cada vórtice).  

Ata entón estaba ben establecido que os vórtices magnéticos cuánticos, extraordinarias singularidades topolóxicas propostas por primeira vez polo físico teórico ruso Alexei A. Abrikosov (polo que sería premiado co Nobel de Física en 2003), poderían aparecer nos supercondutores ao ser sometidos a un campo magnético externo. Agora ben, eses vórtices acumulan unha considerable enerxía magnética polo que, en ausencia dun campo magnético externo, non poden aparecer espontáneamente. A proposta de Berezinskii e de Kosterliz e Thouless era pois conceptualmente moi novedosa: Ao ter vorticidade total nula, esas parellas de vórtice e antivórtice necesitan moi pouca enerxía para ser creadas, sendo suficiente a enerxía asociada á sempre presente axitación térmica. Ademais, unha corrente eléctrica aplicada á capa delgada non “empuxa” esas parellas, ao ser de signo oposto ás forzas electromagnéticas (de Lorentz) sobre o vórtice e o antivórtice, e o supercondutor segue transportando electricidade sen disipación. 

O resultado máis orixinal e importante de dous dos premiados co Nobel de Física deste ano, Kosterlitz e Thouless, foi demostrar por primeira vez que a unha temperatura ben definida, moi próxima pero por baixo da temperatura de transición "convencional" entre o estado normal e o estado supercondutor, esas parellas vórtice-antivórtice poderían romperse espontaneamente, aparecendo, entón si, disipación en presenza dunha corrente eléctrica aplicada. Trátase dunha extraordinaria transición de fase "topolóxica", denotada transición BKT ou KT, dependendo do desexo de enfatizar ou non o traballo pioneiro de Berezinskii. 

O interese dos efectos de baixa dimensionalidade, e particularmente da transición BKT, tanto nos supercondutores metálicos convencionais como nos denominados “supercondutores a altas temperaturas”, viuse polo tanto realzado polo Premio Nobel de Física deste ano. Trátase dunha das liñas de traballo que desde hai xa unha ducia de anos vén desenvolvendo o grupo de investigación LBTS (Laboratorio de Materiais, Baixas Temperaturas e Supercondutividade) da Área de Física da Materia Condensada da USC. É de destacar que a Tese de Doutorado Europea que presentou na USC Noelia Cotón en 2013, co-dirixida por Manuel V. Ramallo e Félix Vidal, describía unha das poucas observacións experimentais unambiguas existentes ata agora da transición BKT en cupratos supercondutores con alta temperatura crítica. Para iso tivéronse que utilizar capas delgadas de altísima calidade, para evitar que a presenza de inhomoxeneidades composicionais ou estructurais fagan máis ancha a transición normal-superconductor, o que enmascararía a transición BKT. De feito, grazas ás técnicas de crecemento de capas delgadas por pulverización catódica implementadas por Antonio Veira, combinadas con litografías ópticas e electrónicas e co gravado por ataque iónico, o LBTS da USC está particularmente ben equipado para investigar experimentalmente efectos de dimensionalidade reducida en moi diversos materiais. Un temperán  traballo desenvolvido por membros do LBTS sobre a física de vórtices e antivórtices foi o publicado en 2005 por Carlos Carballeira e colaboradores en Physical Review Letters. Ese traballo foi escollido como portada desa prestixiosa revista da American Physical Society. Así mesmo, un recente traballo de Alberto Ramos-Álvarez, Jesús Mosqueira e Félix Vidal, publicado en 2015 nesa mesma revista, analízase o comportamento bidimensional dos novos e extraordinarios supercondutores baseados en ferro.

A liña de investigación sobre a física en materiais con dimensións reducidas, actualmente dirixida por Manuel V. Ramallo e Jesús Mosqueira, segue particularmente activa no LBTS e pódense esperar outros interesantes resultados, alguns deles tamen directamente relacionados con os traballos premiados este ano con o Nobel de Física.