El investigador del Instituto de Nanociencia y Nanotecnología (INN CONICET-CNEA), Jorge I. Facio, y especialistas del Instituto Leibniz de Investigación de Materiales y Estado Sólido (Dresden, Alemania), descubrieron superconductividad en la superficie en un semimetal que se llama PtBi2 (Platino-bismuto-dos). El estudio, descrito en la revista Nature, abre caminos para explorar el uso de ese material en diversas aplicaciones electrónicas y en otro tipo de tecnologías.

La superconductividad, explica Facio, es una fase de la materia que ocurre en algunos materiales cuando son sometidos a bajas temperaturas. Y agrega: “Está caracterizada por su nula resistencia eléctrica que disipa calor y tiene múltiples aplicaciones que se usan cotidianamente, como cuando se realizan imágenes mediante resonancia nuclear; el campo magnético suele ser generado con bobinas hechas de materiales superconductores a bajas temperaturas”.

El proyecto, del que forma parte el trabajo recientemente publicado, se enmarca en el estudio de materiales cuyas propiedades electrónicas se explican en base a conceptos de topología. Esto quiere decir que existen fases de la materia que son distinguibles por propiedades topológicas de la función de onda asociada a sus electrones.

“Descubrimos superconductividad en la superficie del material PtBi2 de forma análoga a lo que sucede en una fase del agua, por ejemplo, cuando a veces ocurre en lugares muy fríos que en una laguna se forma hielo sólo en la superficie. En este caso sería similar: el estado superconductor vive sólo en la superficie del material estudiado”, explica Facio quien es doctor en Física. Y agrega que, en el caso de este material, los electrones que se vuelven superconductores son especiales porque algunas de sus propiedades están determinadas por los electrones que viven en el interior del material.

Durante la realización del estudio internacional, el material PtBi2 se sometió a luz ultravioleta para generar un movimiento de liberación de electrones de su superficie y de ese modo poder estudiar sus propiedades.

Por su topología inusual, PtBi2 tiene electrones que forman los llamados arcos de Fermi en la superficie del material y esta es la primera vez que se encuentra superconductividad asociada a este tipo de electrones, indica Facio. Y continúa: “Hay un conjunto especial de electrones que son los que viven en la llamada superficie de Fermi, son los electrones que cuesta menos excitar. Los arcos de Fermi tienen propiedades que sólo son posibles en los bordes de un material. Si este material se tratara de un cubo, los arcos de Fermi estarían presentes en las caras del cubo y lo notable es que su existencia es robusta y está garantizada por propiedades de los electrones en el interior del cubo”.

Facio sostiene que “a futuro lo más relevante es que otros grupos de investigación que pueden interesarse en el hallazgo puedan reproducir o cotejar las conclusiones de nuestro trabajo. Algo positivo es que en el Centro Atómico Bariloche hay investigadores que han fabricado muestras de este sistema y observan una fase superconductora con algunas propiedades inusuales. Si bien no son experimentos directamente comparables, hasta donde entiendo parecen ir en el mismo sentido”.

“En este proyecto en particular, es importante que la interpretación de los resultados experimentales se enriquece notablemente si se cuentan con cálculos detallados que sirven como mapa para leer los resultados experimentales. De hecho, en este proyecto primero identificamos a los arcos de Fermi en este material en un cálculo computacional, y ese cálculo fue un puntapié importante para realizar e interpretar experimentos que siguieron” refiere Facio. Asimismo, concluye: “En la actualidad estoy trabajando con gente de Alemania, también con estudiantes y docentes del Instituto Balseiro, que están interesados en entender en mayor detalle la estructura electrónica del material en cuestión y otros relacionados, tanto desde la teoría como vía otros experimentos que efectivamente pueden demostrar la existencia de estados electrónicos de interés”.

En la publicación científica, el grupo de especialistas, comunican que están explorando teóricamente que en PtBi2 se pueden observar elementos básicos a partir de los cuales se daría lugar a los fermiones de Majoranas (cuasipartículas). Si se confirma que existen, podrían utilizarse como qubits, una unidad básica de información cuántica para la próxima generación de ordenadores cuánticos.

Nota elaborada por Natalia Gorbarán, Área de Comunicación Instituto de Nanociencia y Nanotecnología (CONICET-CNEA) y Mariela Méndez, Área de Comunicación CONICET Patagonia Norte.