Superconductividad inducida por luz

Dibujo20160301 proposed mechanism for light-induced superconductivity in K3C60 nphys3687-f1

Un material superconductor conduce la electricidad con resistencia cero al ser enfriado bajo una temperatura crítica (Tc). El fullereno metálico K3C60, que tiene una Tc ≅ 20 K, parece transformarse en superconductor hasta 100 K al ser excitado con pulsos ópticos en el infrarrojo medio. El estado superconductor es transitorio y solo dura unos picosegundos. Los indicios de este comportamiento sorprendente se han publicado en Nature, aunque la evidencia aún no es definitiva. Futuros estudios son necesarios para confirmarlo.

Ya se sabía que bajo irradiación térmica (fonones) o luminosa (fotones) con energía similar a la que liga los electrones en los pares de Cooper se destruye la superconductividad. La idea del nuevo trabajo es revertir dicho proceso. En el K3C60 la energía que liga los pares de Cooper 2Δ ≅ 4,14 meV, lo que implica el uso del pulsos de THz. En concreto, pulsos con longitud de onda entre 6 μm y 15 μm, cuyos fotones tienen una energía entre 200 meV y 80 meV. La foto-excitación produce un estado superconductor fuera del equilibrio que muestra un comportamiento similar al observado en equilibrio por debajo de Tc ≅ 20 K.

El artículo es Matteo Mitrano et al., “Possible light-induced superconductivity in K3C60 at high temperature,” Nature 530: 461–464 (25 Feb 2016), doi: 10.1038/nature16522, arXiv:1505.04529 [cond-mat.supr-con]; recomiendo leer a Jure Demsar, “Emergent phenomena: Light-induced superconductivity,” Nature Physics 12: 202–203 (2016), doi: 10.1038/nphys3687.

Dibujo20160301 Structure and equilibrium optical properties of K3C60 nature16522-f1

La estructura cristalina del K3C60 es cúbica centrada en las caras. En este fullereno dopado el buckminsterfullereno C60 (azul), también llamado futboleno porque está formado por 60 átomos de carbono en forma de balón de fútbol, está dopado con átomos de potasio (rojo) de tal forma que hay tres por cada C60. Esta figura muestra la reflectividad (c) y la conductividad óptica, parte real (d) e imaginaria (e), medidas a T = 25 K (rojo) y T = 10 K (azul). La parte rayada en azul ilustra el cambio entre el estado no superconductor al superconductor.

Dibujo20160301 Transient optical response of photo-excited K3C60 at 25 K and  100 K nature16522-f2

Bajo irradiación (curva azul) se observa un cambio similar (respecto a la curva roja sin irradiación) en la reflectividad y conductividad óptica incluso hasta 100 K, como ilustra esta figura. Este fenómeno es interpretado por Matteo Mitrano y sus colegas como un indicio de superconductividad. Por supuesto, cualquier experto tendrá serias dudas al respecto y exigirá pruebas más firmes.

Dibujo20160301 Transient optical response of photo-excited K3C60 at 200 K and 300 K nature16522-f3

Matteo Mitrano y sus colegas alegan que bajo irradiación (curva azul) el cambio (respecto a la curva roja sin irradiación) en estas propiedades ópticas es muy pequeño por encima de 100 K (la figura ilustra 200 K y 300 K, pero el resultado es similar más cerca de 100 K). ¿Se pueden interpretar estos indicios como una evidencia de la superconductividad inducida por luz? Como es obvio, se requieren futuros estudios tanto teóricos como experimentales.

La superconductividad fuera del equilibrio es un campo apasionante. Un estado superconductor transitorio que dure menos de 10 ps (picosegundos) parece poco útil, pero podría revelar mucha información clave para entender la superconductividad a alta temperatura. Además, con seguridad muchos investigadores estudiarán otros materiales superconductores metálicos bajo irradiación en el régimen de los terahercios.

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