En las últimas décadas, el misterio de la superconductividad de alta temperatura ha intrigado a científicos de todo el mundo. Desde que se descubrieron materiales capaces de conducir la electricidad sin resistencia a temperaturas relativamente altas, los investigadores intentan comprender qué sucede exactamente en el interior de estas sustancias. La atención se centra en los cupratos, compuestos complejos a base de cobre que, en su estado original, se comportan como antiferromagnéticos. En esta estructura, los espines de los electrones en átomos vecinos se orientan en direcciones opuestas, formando una especie de «tablero de ajedrez» magnético. Esto convierte al material en un aislante. Sin embargo, basta añadir algunas impurezas para que el sistema se vuelva repentinamente superconductor y sus propiedades magnéticas cambien radicalmente.
En lugar de un orden magnético único en el cristal, aparecen pequeños «islotes» dinámicos: zonas donde persisten correlaciones magnéticas residuales. El tamaño de estas regiones, conocido como longitud de correlación, resultó ser mucho menor de lo que predecían los modelos teóricos. Los experimentadores detectaron dominios magnéticos diminutos, mientras los cálculos vaticinaban dimensiones mucho mayores. Esta discrepancia impidió durante mucho tiempo la creación de una teoría unificada sobre la transición de aislante a superconductor.
Dinámica de espines: la clave del misterio
Un grupo de teóricos del Centro de Fotónica y Materiales Bidimensionales del MIPT ha propuesto una nueva perspectiva sobre el problema. Se centraron en la rigidez de espín, un parámetro que determina lo difícil que es alterar el orden magnético. Normalmente, se distinguen los componentes espacial y temporal de esta rigidez. Antes, la parte temporal se consideraba constante, lo que simplificaba los cálculos, pero, como se ha revelado, distorsionaba la imagen general.
Los investigadores desarrollaron un modelo en el que la rigidez de espín temporal depende de la frecuencia de las oscilaciones. Este enfoque permitió tener en cuenta cómo las perturbaciones rápidas afectan la estructura magnética. Resultó que, al aumentar la frecuencia, la rigidez temporal disminuye bruscamente, lo que provoca un “ablandamiento” del sistema magnético y limita la propagación del orden a grandes distancias. Como resultado, la longitud de correlación calculada coincidió con los datos experimentales para el cuprato La₂-ₓSrₓCuO₄.
Diagramas de fases y nuevos horizontes
Basándose en el modelo actualizado, los científicos elaboraron un diagrama de fases que muestra cómo cambia el estado magnético del material según la temperatura y la concentración de impurezas. El diagrama reveló que el orden persistente a larga distancia solo es posible en un rango muy estrecho de dopado y a bajas temperaturas. Esto concuerda plenamente con las observaciones realizadas en laboratorios de todo el mundo.
El investigador principal del laboratorio, Andrey Katanin, señaló que el nuevo modelo abre el camino a estudios más profundos. Ahora es posible tener en cuenta factores adicionales, como las fluctuaciones locales o el efecto del desorden en el cristal. Cada avance en esta dirección acerca a los físicos a la creación de una teoría universal de la superconductividad de alta temperatura, capaz de transformar la tecnología del futuro.
De una imagen estática a un vídeo dinámico
Iván Goremykin, estudiante de doctorado e investigador del laboratorio, enfatizó que para comprender el comportamiento de materiales complejos es fundamental considerar no solo su estructura, sino también su dinámica. Comparó los enfoques anteriores con intentar entender el movimiento de una multitud por una sola fotografía, mientras que el nuevo modelo permite ver un “vídeo”, es decir, cómo reacciona el sistema ante perturbaciones de distintas frecuencias. Es precisamente esta dinámica la que explica por qué el orden magnético en los cupratos es tan inestable.
La investigación realizada no solo resuelve un antiguo problema teórico, sino que también destaca la importancia de los efectos dinámicos en todos los sistemas electrónicos fuertemente correlacionados. Entre estos materiales se encuentran no solo los superconductores, sino también muchas otras sustancias con propiedades inusuales, que podrían aplicarse en la electrónica y las tecnologías cuánticas.
Por cierto: MFTI y su aporte a la ciencia mundial
Cabe señalar que el Instituto de Física y Tecnología de Moscú (MFTI) es uno de los principales centros científicos y educativos de Rusia, fundado en 1946. A lo largo de las décadas, la universidad se ha convertido en una cantera de talentos para la ciencia nacional y mundial, y sus egresados ocupan puestos clave en institutos de investigación y empresas tecnológicas de todo el mundo. El Centro de Fotónica y Materiales Bidimensionales del MFTI, donde trabajan los autores del estudio, se especializa en el desarrollo de nuevos materiales y en el análisis de sus propiedades mediante métodos computacionales de última generación. El Laboratorio de Diseño Computacional de Materiales, dirigido por Andrey Katanin, es reconocido por sus investigaciones en el área de la teoría cuántica del estado condensado. En los últimos años, el equipo ha colaborado activamente con colegas extranjeros, participa en proyectos internacionales y publica sus resultados en las principales revistas científicas. Gracias a investigaciones como estas, el MFTI refuerza la posición de Rusia en el ámbito científico mundial y contribuye al desarrollo de tecnologías avanzadas.
