Dos físicos de RIKEN, Japón, han propuesto un nuevo método teórico para explorar partículas exóticas en la superficie de superconductores raros. A temperaturas extremadamente bajas, los electrones de algunos materiales muestran un comportamiento inusual. Dos o más electrones ya no actúan de forma independiente, sino que se emparejan y se mueven juntos como una unidad. Este comportamiento conlleva algunas propiedades extraordinarias. Uno de los ejemplos más famosos es la superconductividad, donde los electrones forman "pares de Cooper" y viajan libremente a través de un material sin ninguna resistencia.
Figura 1: Diagrama conceptual de los fermiones de Majorana, que son en sí mismos antipartículas. Dos físicos de RIKEN predicen que la respuesta multipolar de los fermiones de Majorana a las ondas electromagnéticas proporciona información sobre los pares de Cooper en los superconductores topológicos. Fuente de la imagen: © 2025 Laboratorio de Teoría de la Materia Condensada RIKEN
Yuki Yamaguchi del Laboratorio de Teoría de la Materia Condensada de RIKEN y Shingo Kobayashi del Centro de Ciencias de Materiales Emergentes de RIKEN han propuesto ahora una forma de estudiar los pares de Cooper en una forma particularmente interesante de superconductividad: los superconductores topológicos, una clase de materiales que se descubrieron recientemente.
En los superconductores tradicionales, los pares de Cooper surgen de interacciones entre electrones y vibraciones atómicas, formando estructuras simétricas relativamente simples.
Sin embargo, en los superconductores topológicos, los pares de Cooper exhiben simetrías más complejas. "Esta simetría, a su vez, crea estados cuánticos especiales llamados fermiones de Majorana en la superficie del material",Montaña 﨑explicado.
Predicho por primera vez por Ettore Majorana en 1937, el fermión de Majorana es una partícula idéntica a su antipartícula.
Un par de fermiones de Majorana aparecen en la superficie de un superconductor topológico simétrico con inversión de tiempo. Se las conoce como "simetrías de inversión del tiempo", es decir, su comportamiento seguiría siendo el mismo si el tiempo se invirtiera. También tienen una característica de respuesta electromagnética que cambia con la dirección, llamada respuesta multipolar de Majorana.
Pero en algunos materiales especiales, los pares de Cooper rompen esta simetría de inversión temporal, de modo que los fermiones de Majorana ya no forman pares.
Montaña 﨑Dijo: "En un superconductor topológico con simetría de inversión de tiempo rota, aparecerá un fermión de Majorana en el límite. Dado que es eléctricamente neutro, no interactuará con campos externos".
La detección de estos fermiones aislados de Majorana se vuelve difícil debido a la falta de interacción con el campo. Para encontrar formas de estudiarlos,Montaña 﨑y Kobayashi amplió teóricamente el concepto de respuesta multipolar de Majorana a superconductores topológicos con simetría de inversión de tiempo rota.
De esta manera, demostraron cómo la respuesta electromagnética de los fermiones de Majorana puede proporcionar información sobre la naturaleza de los pares de Cooper en el material superconductor subyacente.
Montaña 﨑"Nuestra investigación ha identificado las propiedades electromagnéticas fundamentales de los fermiones de Majorana en superconductores topológicos. Sin embargo, se necesita más investigación para explorar sus efectos en cantidades físicas reales y establecer técnicas para detectar estos efectos", afirmó.
Compilado de /ScitechDaily