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Esta ilustración muestra la aceleración de las ondas de luz de las supercorrientes, que descubre una nueva clase de fenómenos cuánticos. Imagen cortesía de Jigang Wang.
Científicos de la Universidad Estatal de Iowa (USA) han descubierto una propiedad oculta en los semiconductores que revolucionará las tecnologías cuánticas.
La superconductividad, descubierta hace 100 años, permite el flujo de corriente eléctrica sin resistencia, también conocido como supercorriente.
La superconductividad se explica por la existencia de un orden electrónico propio en el interior de algunos materiales: un número macroscópico de electrones forman parejas o pares de Cooper que actúan de forma colectiva, como una unidad.
La supercorriente se produce mediante el desplazamiento de estos pares de electrones a través del superconductor.
Lo sorprendente es que esta supercorriente está prohibida por las leyes convencionales de la física, ya que se ajusta a la dinámica ondulatoria cuántica.
Segunda anomalía: luz prohibida
Pero aquí no termina la anomalía física de la superconductividad, según la nueva investigación.
Rastreando la luz emitida por los pares de electrones, los científicos descubrieron la explicación de por qué se aceleran: lo hacen mediante "emisiones de luz del segundo armónico", o luz al doble de la frecuencia de la luz entrante.
Y este descubrimiento ha sido toda una sorpresa: esas emisiones de terahercios del segundo armónico están prohibidas en los superconductores… y también van en contra de la física clásica.
Eso tiene un significado adicional implícito: se trata de un descubrimiento fundamental no solo para la superconductividad, sino también para la física cuántica.
Implicaciones cuánticas
La idea principal de la física cuántica es que las partículas son también ondas y que las ondas son también partículas: se conoce como la dualidad onda partícula.
Existe un vínculo claro entre la física cuántica y la superconductividad: el mundo de las partículas elementales se puede apreciar a escala macroscópica en los semiconductores de sólidos cristalinos.
Estos semiconductores son materiales que tienen una estructura ordenada y periódica que se puede determinar mediante la ecuación de Schrödinger propia de la física cuántica: describe la evolución de una partícula subatómica de naturaleza ondulatoria.
La superconductividad, por tanto, está descrita por una función de onda tal como se establece la física cuántica. Esa función de onda (superconductividad) se extiende por todo el material y manifiesta las rarezas de la física cuántica a escala macroscópica.
Aportación de la nueva investigación
Lo que aporta la nueva investigación es que, dentro de los superconductores, la aceleración de los electrones que genera la supercorriente, es producida por un estado de la luz que no está sujeto a las leyes físicas y que los científicos han llamado luz prohibida.
Este descubrimiento reafirma la estrecha relación existente entre el mundo de los superconductores y la física cuántica: la onda de la superconductividad no solo sigue la ecuación de Schrödinger, sino que la supercorriente es provocada a su vez por un estado de la luz ajeno a la física clásica.
Por este motivo, los investigadores consideran que la luz prohibida proporcionará acceso a una clase exótica de fenómenos cuánticos relacionados con la energía de las partículas elementales.
La superconductividad, descubierta hace 100 años, permite el flujo de corriente eléctrica sin resistencia, también conocido como supercorriente.
La superconductividad se explica por la existencia de un orden electrónico propio en el interior de algunos materiales: un número macroscópico de electrones forman parejas o pares de Cooper que actúan de forma colectiva, como una unidad.
La supercorriente se produce mediante el desplazamiento de estos pares de electrones a través del superconductor.
Lo sorprendente es que esta supercorriente está prohibida por las leyes convencionales de la física, ya que se ajusta a la dinámica ondulatoria cuántica.
Segunda anomalía: luz prohibida
Pero aquí no termina la anomalía física de la superconductividad, según la nueva investigación.
Rastreando la luz emitida por los pares de electrones, los científicos descubrieron la explicación de por qué se aceleran: lo hacen mediante "emisiones de luz del segundo armónico", o luz al doble de la frecuencia de la luz entrante.
Y este descubrimiento ha sido toda una sorpresa: esas emisiones de terahercios del segundo armónico están prohibidas en los superconductores… y también van en contra de la física clásica.
Eso tiene un significado adicional implícito: se trata de un descubrimiento fundamental no solo para la superconductividad, sino también para la física cuántica.
Implicaciones cuánticas
La idea principal de la física cuántica es que las partículas son también ondas y que las ondas son también partículas: se conoce como la dualidad onda partícula.
Existe un vínculo claro entre la física cuántica y la superconductividad: el mundo de las partículas elementales se puede apreciar a escala macroscópica en los semiconductores de sólidos cristalinos.
Estos semiconductores son materiales que tienen una estructura ordenada y periódica que se puede determinar mediante la ecuación de Schrödinger propia de la física cuántica: describe la evolución de una partícula subatómica de naturaleza ondulatoria.
La superconductividad, por tanto, está descrita por una función de onda tal como se establece la física cuántica. Esa función de onda (superconductividad) se extiende por todo el material y manifiesta las rarezas de la física cuántica a escala macroscópica.
Aportación de la nueva investigación
Lo que aporta la nueva investigación es que, dentro de los superconductores, la aceleración de los electrones que genera la supercorriente, es producida por un estado de la luz que no está sujeto a las leyes físicas y que los científicos han llamado luz prohibida.
Este descubrimiento reafirma la estrecha relación existente entre el mundo de los superconductores y la física cuántica: la onda de la superconductividad no solo sigue la ecuación de Schrödinger, sino que la supercorriente es provocada a su vez por un estado de la luz ajeno a la física clásica.
Por este motivo, los investigadores consideran que la luz prohibida proporcionará acceso a una clase exótica de fenómenos cuánticos relacionados con la energía de las partículas elementales.
Importantes aplicaciones
Los científicos consideran asimismo que la comprensión de la ruptura de la simetría en estados superconductores es una nueva frontera, tanto en el descubrimiento fundamental de la física cuántica, como en la ciencia práctica de la información cuántica.
La segunda generación armónica es una onda de simetría fundamental, añaden. Esto será útil para el desarrollo de futuras estrategias de computación cuántica y de la electrónica, con altas velocidades y bajo consumo de energía.
Añaden que encontrar formas de controlar, acceder y manipular las características especiales del mundo cuántico y conectarlas con problemas del mundo real, representa un gran impulso científico del que han dejado constancia en un artículo publicado en la revista Physical Review Letters.
Los científicos consideran asimismo que la comprensión de la ruptura de la simetría en estados superconductores es una nueva frontera, tanto en el descubrimiento fundamental de la física cuántica, como en la ciencia práctica de la información cuántica.
La segunda generación armónica es una onda de simetría fundamental, añaden. Esto será útil para el desarrollo de futuras estrategias de computación cuántica y de la electrónica, con altas velocidades y bajo consumo de energía.
Añaden que encontrar formas de controlar, acceder y manipular las características especiales del mundo cuántico y conectarlas con problemas del mundo real, representa un gran impulso científico del que han dejado constancia en un artículo publicado en la revista Physical Review Letters.
Referencia
Terahertz Second-Harmonic Generation from Lightwave Acceleration of Symmetry-Breaking Nonlinear Supercurrents. C. Vaswani et al. Phys. Rev. Lett. 124, 207003, 19 May 2020. DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.207003
Terahertz Second-Harmonic Generation from Lightwave Acceleration of Symmetry-Breaking Nonlinear Supercurrents. C. Vaswani et al. Phys. Rev. Lett. 124, 207003, 19 May 2020. DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.207003
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