INDICIOS DE REMOLINOS CON CARGA EN UN FLUIDO DE PAREJAS NEUTRAS

En un superfluido, las partículas se mueven juntas como una sola onda cuántica; un superconductor de tipo II conduce corriente sin resistencia. Si se pone a girar el primero, o se coloca el segundo en un campo magnético, ambos muestran un rasgo definitorio: una red de vórtices cuantizados, diminutos remolinos que llevan cada uno una cantidad de giro fija e indivisible. En un fluido hecho de excitones, una red así seguía fuera de alcance: los excitones no tienen carga eléctrica.

Parejas que no llevan nada

Un excitón es un electrón ligado a un hueco, el vacío que deja un electrón ausente. Creados con luz, los excitones viven muy poco y, al ser neutros, son difíciles de sondear eléctricamente. Mantener separados a los dos compañeros, electrones en una capa y huecos en otra, hace que las parejas duren mucho más y permite conectar cada capa por separado.

Si se enfrían lo suficiente, estas parejas se condensan y comparten una única fase cuántica —un ritmo común— en todo el fluido, de forma muy parecida a los pares de electrones de un superconductor. Existían señales eléctricas, pero, escriben los autores, seguía faltando una prueba inequívoca de esta coherencia de fase global.

Adónde iría la carga extra

Lo que debería hacer un fluido así: en un campo magnético intenso, se añaden unos pocos electrones extra, y su carga debería dividirse en fracciones que se alojarían en los núcleos de vórtices y antivórtices, remolinos de la fase compartida que giran en sentidos opuestos. Normalmente estos se aniquilan. Aquí sus núcleos cargados se repelen, y en 2025 dos de los autores, Bo Zou y Allan MacDonald, de la Universidad de Texas en Austin, predijeron que quedarían fijados en un panal: vórtices en un conjunto de sitios, con su carga en la capa superior, y antivórtices en el otro, en la capa inferior.

A diferencia de los vórtices de un superconductor, que llevan flujo magnético, estos llevan carga eléctrica. Cada celda del panal contiene exactamente una carga elemental, la de un electrón. Así que cuanta más carga se añade, más pequeñas son las celdas: su área se reduce en proporción inversa a la carga extra.

Dos láminas de carbono y una aguja

Ryan Lee, Jungwoo Lee, Viliam Vaňo y sus colegas del grupo de Ali Yazdani en la Universidad de Princeton apilaron dos láminas de grafeno de un átomo de grosor separadas 3,2 nanómetros —unas tres millonésimas de milímetro—, con una barrera de nitruro de boro hexagonal del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón, bajo un campo de 9 teslas (el tesla es la unidad de intensidad del campo magnético). Allí, las energías de los electrones se agrupan en escalones llamados niveles de Landau. Dos voltajes fijan lo llenos que están: uno, de una puerta situada bajo las láminas, ajusta la carga total; el otro desplaza carga entre las láminas. Cuando entre las dos láminas llenan un número entero de niveles, cada una solo parcialmente, un electrón de una se empareja con un hueco de la otra y se forma el condensado.

El equipo lo obtuvo en imágenes con un microscopio de efecto túnel a 0,2 grados por encima del cero absoluto: los electrones saltan entre una punta afilada y la lámina superior, y la corriente depende de lo que hay debajo, incluida la carga de los núcleos de los vórtices.

Una red que se estrecha con la carga

Al añadir o quitar unos pocos electrones, los mapas de corriente de zonas sin defectos de unos 400 nanómetros de ancho mostraron puntos brillantes regulares. Una transformada de Fourier, un cálculo que convierte un patrón repetitivo en picos nítidos, dio seis: una red con simetría de orden seis.

A medida que se añadían electrones, la red se hacía más densa, y su espaciado bajaba de unos 135 nanómetros al principio a unos 60, cerca de la curva prevista. Pasó de dispersa a bien ordenada y luego se fundió al añadir más. Los puntos forman un patrón triangular en lugar de un panal: la punta detecta la lámina superior, donde los vórtices llevan más carga que los antivórtices de abajo.

La prueba que no supera un cristal de electrones

Los electrones que se repelen entre sí también pueden congelarse por sí solos en una red, un cristal de Wigner. Uno en la lámina superior tendría un espaciado fijado solo por la carga de esa lámina. Cerca del condensado, esa carga apenas cambia, porque la lámina inferior apantalla a la superior frente a la puerta; aun así, el espaciado medido cambió. Por debajo de un llenado extra de 0,17 de nivel, la predicción del cristal de Wigner se aleja claramente de los datos.

La prueba decisiva: el espaciado de la red de vórtices debería depender solo de la carga extra total, no de cómo se la reparten las láminas, porque solo el total se acopla a la fase compartida. El equipo mantuvo fijo el total y desplazó carga entre las láminas, cambiando el llenado de cada una hasta en un 30 %. Un cristal de Wigner en la lámina superior habría desplazado su espaciado unos 20 nanómetros. El espaciado medido se mantuvo en unos 60. Solo se desvaneció el contraste de la imagen, a medida que la carga pasaba de los vórtices de la lámina superior a los antivórtices de la inferior, sin moverlos.

Cerca de un llenado extra de 0,17, la lámina inferior deja de admitir carga y todos los electrones extra se sitúan en la superior. Ahí, el espaciado converge hacia el de un cristal de Wigner ordinario en la lámina superior: la transición que la teoría anticipaba.

Los huecos dibujan el mismo patrón, invertido

Quitar electrones en lugar de añadirlos produjo el mismo tipo de red, incluso mejor ordenada, probablemente porque esa región contiene menos desorden. Su contraste está invertido, como cabe esperar si la carga de los núcleos cambia de signo, y su espaciado vuelve a seguir únicamente la carga extra total.

Lo que puede decir una imagen de 400 nanómetros

En un superconductor, una red de vórtices que abarca una imagen muestra que el fluido conserva su fase al menos a lo largo de esa distancia. Aquí, la red que llena el campo de visión fija un límite inferior de unos 400 nanómetros para el alcance de la coherencia de fase del condensado. Además, el llenado de cada lámina se calcula a partir de los dos voltajes con un modelo electrostático, en lugar de medirse directamente.

El equipo presenta sus imágenes como indicios —la palabra de su título— de la red predicha y de la coherencia de fase en un superfluido de excitones. El mismo microscopio podría ahora seguir a estos remolinos mientras se mueven, se enganchan en defectos y se funden, en un superfluido hecho únicamente de electrones.