Un equipo de investigadores franceses y españoles, entre los que se encuentra un profesor de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), analizó la estructura electrónica de un nanotubo de carbono conectado a electrodos superconductores mediante medidas de espectroscopía túnel. El estudio fue portada de la revista Nature Physics el pasado mes de diciembre, y permitió identificar por primera vez los estados de electrones que transportan la supercorriente en un sistema que no es superconductor.
Descubierta hace 100 años, la superconductividad está llena de manifestaciones sorprendentes. Los ejemplos más conocidos son el flujo de corriente eléctrica sin resistencia (supercorriente) o la expulsión del campo magnético (efecto Meissner) que actualmente se utiliza para la levitación de trenes en Japón. La superconductividad se explica por la existencia de un orden electrónico de largo alcance en el que un número macroscópico de electrones forman parejas o pares de Cooper que actúan en forma colectiva. La supercorriente corresponde al desplazamiento de estos pares a través del superconductor.
Otra de las manifestaciones soprendentes de la superconductividad es que este "flujo ordenado de parejas" puede propagarse a través de un medio que no es superconductor. El fenómeno fue descubierto por Brian David Josephson en 1962, quien mostró que los pares de electrones pueden atravesar sin resistencia una capa aislante entre dos superconductores, algo imposible para los electrones individuales.
El efecto Josephson es la base de los llamados SQUID (superconducting quantum interference devices), que son sensores ultrasensibles de campo magnético. Más recientemente, este efecto ha permitido el diseño de qubits superconductores para sistemas de computación cuántica. También se ha demostrado que el efecto Josephson puede producirse en todo tipo de nanoestructura no-superconductora colocada entre dos superconductores si es suficientemente pequeña como para que se mantenga en ella la coherencia cuántica.
En el reciente estudio publicado en Nature Physics por investigadores europeos —entre los que se encuentra el profesor Alfredo Levy Yeyati, del Departamento de Física Teórica de la Materia Condensada de la UAM— se analiza el caso de los nanotubos de carbono que, aunque no son intrínsecamente superconductores, sí pueden conducir una supercorriente cuando se los conecta a electrodos superconductores.
Por sus dimensiones y otras características, los nanotubos de carbono proporcionan un sistema ideal para la observación de los estados (llamados estados de Andreev) que llevan la supercorriente a través de la región no-superconductora. En el caso de nanotubos con diámetros del orden de unos pocos nanómetros y longitudes del orden del micrón, sólo unos pocos estados (típicamente dos) se forman en el rango de energías que corresponde a la brecha superconductora (del orden de 0.1 meV en el caso del aluminio, que fue el superconductor utilizado). Estas dimensiones permiten depositar un electrodo que actúa como sonda sobre el nanotubo sin alterar drásticamente sus propiedades.
El esquema de la figura muestra el dispositivo utilizado por los investigadores. En él se puede apreciar el nanotubo, que aparece como un hilo al que se conectan los electrodos superconductores (color verde) formando un circuito cerrado a través del cual se puede aplicar un flujo magnético (indicado por la letra F). El electrodo coloreado en rojo corresponde a la sonda para la espectroscopía túnel.
Los resultados experimentales del trabajo fueron complementados con cálculos teóricos que confirman la presencia de los estados de Andreev del nanotubo.
Además de su posible aplicación en computación cuántica, el dispositivo podría utilizarse como un magnetómetro extremadamente sensible, capaz de detectar cambios en la magnetización debidos a una única molécula cercana.
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