Investigadores de la Universidad de Columbia han confirmado experimentalmente que las fluctuaciones cuánticas originadas en el vacío dentro de materiales bidimensionales son capaces de alterar las propiedades de cristales cercanos, una posibilidad teórica perseguida durante décadas. Liderado por Dmitri Basov, profesor Higgins de Física, y un equipo de 32 colaboradores de 17 instituciones, el estudio detalla cómo la colocación de una escama de tamaño nanométrico de nitruro de boro hexagonal (hBN) sobre el superconductor κ-(BEDT-TTF)₂Cu[N(CN)₂]Br, o κ-ET, detuvo la superconductividad, lo que representa una prueba de concepto significativa para la sintonización de materiales. “Es el santo grial que hemos estado buscando durante décadas”, afirmó Basov, describiendo la confirmación largamente esperada. El equipo descubrió que la coincidencia de la resonancia vibracional entre el hBN y el κ-ET permitió una interacción que dificulta el flujo de electrones, demostrando un nuevo método para manipular los estados de los materiales sin fuerzas externas.
Fluctuaciones Cuánticas Suprimen la Superconductividad en Cristales de κ-ET
El equipo, una colaboración de 32 investigadores de 17 instituciones liderada por los investigadores postdoctorales de Columbia Itai Keren, Tatiana Webb y Shuai Zhang, logró esto colocando una escama de nitruro de boro hexagonal (hBN) de un nanómetro de espesor sobre κ-(BEDT-TTF)₂Cu[N(CN)₂]Br, comúnmente conocido como κ-ET, un material superconductor. Sorprendentemente, la superconductividad dentro del cristal de κ-ET cesó sin ningún estímulo externo adicional, como láseres o fuerzas impulsoras, un resultado que, si bien no es ideal para mejorar el flujo eléctrico sin pérdidas, establece una crucial prueba de concepto. “Cualquier nueva ‘perilla’ que la gente pueda encontrar para sintonizar la superconductividad es significativa”, dijo Keren. La supresión de la superconductividad se produjo porque las fluctuaciones cuánticas dentro de las capas de hBN vibran a una frecuencia de resonancia que coincide precisamente con la de κ-ET, lo que lleva a una interacción que interrumpe el movimiento de los electrones y evita la formación de un estado superconductor. Las pruebas con superconductores que poseen diferentes frecuencias de resonancia no arrojaron ningún efecto, lo que confirma la especificidad de esta interacción.
Este descubrimiento se basa en el trabajo teórico de Angel Rubio del Instituto Max Planck para la Estructura y la Dinámica de la Materia, quien inicialmente propuso el potencial de las fluctuaciones cuánticas, un concepto que Basov inicialmente consideró “imposible, pero era tan atractivo que era imposible no intentarlo”. El impacto se extiende más allá de simplemente detener la superconductividad; el efecto se observó en casi ½ micrómetro, 10 veces el ancho de la escama de hBN, lo que sugiere una influencia sustancial. “Las fluctuaciones del vacío son extremadamente pequeñas, pero el efecto observado es enorme”, señaló Rubio, destacando el potencial de modificación persistente del material sin fuerza externa, una desviación de los métodos convencionales que involucran fuerza mecánica, calor o pulsos láser. El equipo utilizó un microscopio de fuerza magnética criogénico para confirmar estos hallazgos, demostrando que las fluctuaciones cuánticas por sí solas pueden modificar las propiedades de los materiales y abrir vías para diseños de materiales innovadores.
Nitruro de Boro Hexagonal como Material de Cavidad Cuántica
El nitruro de boro hexagonal (hBN) se está convirtiendo rápidamente en un material crucial en la exploración de la manipulación de materiales cuánticos, superando su papel establecido como espaciador inerte en configuraciones industriales y experimentales. Esta realización, confirmada en un nuevo artículo publicado en Nature, representa un importante paso hacia el aprovechamiento de estas fluctuaciones para la modificación de materiales, una posibilidad teórica que ahora se ha demostrado experimentalmente por primera vez. Una cavidad, en este contexto, confina las ondas electromagnéticas y, aunque aparentemente vacía, todavía alberga fluctuaciones cuánticas; las láminas de hBN a nanoescala ofrecen un espacio excepcionalmente pequeño para que estas se fortalezcan.
La naturaleza hiperbólica del hBN es central para este efecto, amplificando las vibraciones internas, un fenómeno que Webb describió como “un efecto notable que se puede tener con materiales hiperbólicos”. Esta capacidad para modificar las propiedades electrónicas sin fuerza externa ofrece el potencial de cambios más persistentes, abriendo vías para diseños de materiales sintonizables, y Keren anticipa que “otros buscarán nuevas combinaciones” de materiales y cavidades. “Ahora tenemos una prueba de concepto de que esta es una forma viable de modificar las propiedades electrónicas de los materiales, y es algo que podríamos integrar en los diseños de materiales”, explicó Webb.
Ahora tenemos una prueba de concepto de que esta es una forma viable de modificar las propiedades electrónicas de los materiales, y es algo que podríamos integrar en los diseños de materiales.
Webb, ahora profesora asistente en Barnard College
Microscopía de Fuerza Magnética Confirma las Interacciones Mediadas por el Vacío
Aunque aparentemente contraintuitivo para aquellos que buscan mejorar el flujo eléctrico sin pérdidas, este resultado sirve como una crucial validación de una posibilidad teórica largamente sostenida. El éxito de este experimento dependió de que la frecuencia de resonancia del hBN coincidiera con la de κ-ET, un detalle que los investigadores predijeron que facilitaría la interacción. “Esa fue nuestra intuición: si las vibraciones coinciden, deberían interactuar entre sí”, explicó Keren, detallando cómo cambió el entorno electromagnético dentro del cristal de κ-ET, dificultando el movimiento de los electrones y evitando el establecimiento de un estado superconductor. Crucialmente, el equipo no encontró ningún efecto al probar hBN contra un superconductor con diferentes frecuencias de resonancia, lo que solidifica el vínculo entre la coincidencia vibracional y la modificación del material.
Incluso si la teoría no explica completamente los resultados todavía, ahora tenemos una prueba experimental de las interacciones mediadas por el vacío en un sistema de materiales. A largo plazo, este debería ser un hito importante.
Rubio
La Resonancia del Material Hiperbólico Permite la Sintonización de las Propiedades del Material
La capacidad de manipular las propiedades de los materiales a través de la resonancia con las fluctuaciones del vacío cuántico promete una nueva era de la ingeniería de materiales, superando los métodos tradicionales que dependen de fuerzas externas. Esta interacción ocurre sin la aplicación de láseres o fuerzas impulsoras externas, lo que representa un cambio fundamental en la forma en que se pueden controlar los materiales. Este método ofrece el potencial de modificación persistente del material, a diferencia de las técnicas anteriores que requieren una entrada continua de energía. “Si podemos controlar estos, podemos sintonizar nuestro superconductor a voluntad”, explicó Keren, anticipando un aumento en la investigación centrada en el descubrimiento de nuevas combinaciones de materiales que aprovechen este principio.
Cualquier nueva ‘perilla’ que la gente pueda encontrar para sintonizar la superconductividad es significativa.
Keren
