La formación de pares de Cooper en superconductores topológicos

Por Francisco R. Villatoro, el 21 abril, 2014. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticias • Physics • Science

Dibujo20140421 spectrum effective two-band hamiltonian - arxiv

La teoría BCS nos dice que el origen de la superconductividad es la formación de pares de Cooper, pero no describe la microfísica de este emparejamiento entre electrones (porque es una teoría fenomenológica). Se cree que puede haber múltiples mecanismos capaces de emparejar los electrones y que diferentes mecanismos podrían actuar en diferentes superconductores de alta temperatura (cupratos y pnicturos).

Un mecanismo de formación de pares de Cooper en superconductores planos en interfaces de óxidos podría ser el intercambio de excitones (pares electrón-hueco). Un nuevo artículo propone este mecanismo para explicar la superconductividad topológica (que está relacionada con la existencia de cuasipartículas de Majorana) en la interfaz de los óxidos SrTiO3/LaAlO3. En este sistema bidimensional, la invarianza topológica protege a los pares de Cooper de los electrones no emparejados, lo que les dota de gran robustez y permite estudiar los detalles microscópicos de su formación (es decir, de la interacción mediada por fonones entre la pareja de electrones del par).

El artículo técnico es Mathias S. Scheurer, Jörg Schmalian, «Topological superconductivity and unconventional pairing in oxide interfaces,» arXiv:1404.4039 [cond-mat.supr-con], 15 Apr 2014. Recomiendo los artículos de revisión de Xiao-Liang Qi, Shou-Cheng Zhang, «Topological insulators and superconductors,» Rev. Mod. Phys. 83: 1057-1110, 2011; arXiv:1008.2026 [cond-mat.mes-hall], y Martin Leijnse, Karsten Flensberg, «Introduction to topological superconductivity and Majorana fermions,» Semicond. Sci. Technol. 27: 124003, 2012arXiv:1206.1736 [cond-mat.mes-hall].

La figura que abre esta entrada muestra la superficie de Fermi para la interfaz SrTiO3/LaAlO3, que es muy similar a la del SrTiO3. La conservación del momento permite dos tipos de interacción electrón-fonón, que los autores llaman dispersión hacia atrás (backscattering) y hacia adelante (forward scattering), cada una de ellas con su propia constante de acoplo (que es independiente del momento). La superconductividad aparece tras una inestabilidad que aparece cuando una o ambas de las constantes de acoplo diverge.

Dibujo20140421 the flow of the two running coupling constants in the case of identical Fermi velocities - arxiv

Esta figura muestra el flujo de las dos constantes de acoplo obtenida mediante la técnica del grupo de renormalización. Los parámetros de orden de las superficies de Fermi surfaces tienen signo opuesto en la región (I) y el mismo signo en la (II). Por ello hay dos tipos de estados superconductores que se denominan SC+− y SC++, respectivamente. En la region (III), ninguna constante de acoplo diverge y no se desarrolla la inestabilidad, resultando un fase metálica.

El estado superconductor SC++ es resultado del emparejamiento electrón-fonón que aparece en los superconductores convencionales y que conduce a un estado topológicamente trivial. Sin embargo, el estado SC+− es resultado del emparejamiento electrón-hueco, que corresponde a un superconductor no convencional, un superconductor topológico con una fuerte interacción espín-órbita debido al efecto Dresselhaus-Rashba. En este superconductor no convencional aparecen estados superficiales de tipo Majorana.

Dibujo20140421 unconventional - conventional - superconductor - arxiv

Además de las fases superconductoras, también se observan ondas de densidad de carga (CDW12) y tres tipos diferentes de ondas de densidad de espín (SDW11, SDW22, SDW12). La diferencia entre CDW12 y SDW12 es la simetría o antisimetría, resp., bajo una inversión temporal. En las fases SDW11 y SDW22, el espín es libre para rotar en tres dimensiones, lo que da lugar a la aparición de skyrmions, antiskyrmions, pares skyrmion-antiskyrmion y vórtices.

Dibujo20140421 skyrmion 4pi -left- neutral state -right- prl

Un skyrmion es un tipo de «vórtice» en el campo de espines de un imán de Heisenberg en dos dimensiones. En un vórtice (convencional) los vectores de todos los espines están en el mismo plano (digamos que son horizontales) y surgen en forma de espiral desde el centro, en el que hay un defecto (no hay ningún espín). En un skyrmion los vectores de los espines rotan en la dirección vertical conforme nos alejamos del centro. Si en el centro hay un espín en vertical (hacia arriba en la figura, parte izquierda) los espines van rotando hasta ponerse todos horizontales conforme se alejan del centro (depende de la fase del skyrmion pueden llegar a ponerse de nuevo verticales pero apuntando en dirección opuesta al espín central). En el antiskyrmion el espín central apunta en dirección opuesta. En la parte derecha de la figura se ilustra un skyrmion «apantallado» de tal forma que lejos del centro el estado es «neutro» para la carga topológica del espín (que es proporcional al cambio total de ángulo entre el centro y el exterior).

Dibujo20140421 skyrmion-antiskyrmion pair - graphical representation

Esta figura, parte izquierda, ilustra los pares skyrmion-antiskyrmion. Desde un espín apuntando hacia abajo en el antiskyrmion se pasa de forma gradual a un espín apuntando hacia arriba en el skyrmion. Estas figuras están extraídas del artículo de R. W. Cherng, E. Demler, «Neutral skyrmion configurations in the low-energy effective theory of spinor-condensate ferromagnets,» Phys. Rev. A 83: 053614, 10 May 2011.

En resumen, un trabajo interesante que nos recuerda que todos los mecanismos microscópicos de formación de pares de Cooper aún no son conocidos y que su estudio detallado con superconductores topológicos es muy prometedor. Quizás en pocos años se desvele uno de los secretos más importantes de la física de materiales, el secreto de los superconductores de alta temperatura crítica.



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