En física, a veces lo más extraño no es lo que aparece, sino cómo aparece. Un material puede comportarse de manera tan inesperada que obliga a los científicos a replantearse conceptos que parecían resueltos. Eso es lo que acaba de suceder con PtBi₂, un cristal que ha dejado boquiabiertos a los expertos por su insólita forma de conducir electricidad sin resistencia.
Este material, que ya había dado señales intrigantes en estudios previos, ha demostrado ser un superconductor completamente fuera de lo común. Según un nuevo estudio publicado en Nature, no solo presenta superconductividad solo en sus superficies externas, sino que además lo hace con un patrón de simetría nunca antes visto en la naturaleza. Y como si esto fuera poco, genera partículas de Majorana, un ingrediente clave para el desarrollo de la computación cuántica.
Superconductividad que solo ocurre en la superficie
La mayoría de los superconductores conocidos permiten el flujo sin resistencia en todo su volumen. Pero en el caso de PtBi₂, los investigadores encontraron que solo las superficies superior e inferior del cristal adquieren esta propiedad a bajas temperaturas. La parte interna, en cambio, se comporta como un metal común y corriente, sin superconductividad.
Esto convierte al material en una especie de “sándwich cuántico”, donde las capas exteriores están libres de resistencia eléctrica, mientras el núcleo permanece inerte. El estudio aclara que este comportamiento está relacionado con las propiedades topológicas del material, es decir, con una forma especial de organización de los electrones que es muy difícil de alterar: “La superconductividad en PtBi₂ abre una brecha en los estados superficiales topológicos, los arcos de Fermi, mientras que los estados del volumen permanecen normales” .
Este tipo de superconductividad superficial había sido observado de forma preliminar en trabajos anteriores, pero el nuevo estudio demuestra con alta resolución que se trata de un fenómeno robusto, repetible y claramente localizado. Eso lo convierte en uno de los pocos casos documentados de superconductividad topológica intrínseca, una categoría aún muy escasa en la física de materiales.
Una simetría nunca vista en el emparejamiento de electrones
Uno de los hallazgos más sorprendentes del estudio es la forma en que los electrones se emparejan en PtBi₂. En los superconductores convencionales, los electrones se agrupan en pares llamados pares de Cooper, lo que permite el flujo sin resistencia. En la mayoría de los casos, estos pares se forman sin importar la dirección del movimiento de los electrones. Pero aquí ocurre lo contrario.
Los investigadores descubrieron que los electrones no se emparejan si se mueven en seis direcciones específicas, distribuidas de forma simétrica sobre la superficie del cristal. Esas seis direcciones actúan como nodos donde la superconductividad desaparece. En palabras del estudio: “La estructura nodal implica que la brecha exhibe simetría de tipo i-wave (l = 6)” .
Esto representa un cambio radical, ya que nunca se había observado un superconductor con una simetría de orden 6. Hasta ahora, los ejemplos más conocidos, como los cupratos, mostraban simetrías de tipo d-wave (l = 2), con cuatro nodos. La identificación de esta simetría i-wave sugiere la presencia de un tipo completamente nuevo de superconductividad, que exige una explicación teórica distinta a las existentes.
El análisis de estos nodos fue posible gracias a una técnica experimental llamada espectroscopía de fotoemisión angular (ARPES), que permite estudiar directamente la energía de los electrones en función de su momento. Gracias a esta herramienta, los autores pudieron mapear con precisión la estructura del gap superconductivo y confirmar que “los nodos se encuentran exactamente en el centro de los arcos de Fermi”.
Partículas de Majorana en los bordes del cristal
Uno de los aspectos más emocionantes del trabajo es que la estructura de superconductividad topológica en PtBi₂ genera partículas de Majorana de forma natural. Estas partículas, que han sido teóricamente predichas desde hace décadas, tienen una propiedad única: actúan como su propia antipartícula. En el contexto de la computación cuántica, se consideran candidatas ideales para construir qubits resistentes a errores.
En el estudio, los autores explican que “aparecen modos de Majorana sin dispersión, localizados en los bordes del cristal” . Estas zonas, conocidas como modos de bisagra, serían los puntos donde se acumulan las partículas Majorana, ofreciendo así un recurso experimental para manipularlas.
La posibilidad de generar estas partículas en los bordes del material, sin necesidad de condiciones artificiales extremas, abre una vía directa para diseñar dispositivos cuánticos basados en materiales reales. Eso sí, los propios autores reconocen que aún existen desafíos, ya que el interior metálico de PtBi₂ podría interferir con estos efectos, por lo que proponen fabricar capas ultrafinas para aislar mejor los fenómenos superficiales.
¿Qué hace especial a este superconductor?
Existen otros materiales candidatos a ser superconductores topológicos, como el Sr₂RuO₄ o algunos compuestos de uranio. Sin embargo, en muchos de esos casos los datos experimentales han sido contradictorios o poco concluyentes. PtBi₂, en cambio, ofrece una combinación única de evidencias: superconductividad bien localizada, nodos claros, simetría inusual y presencia teórica de Majoranas.
Además, el comportamiento observado no puede reproducirse en un sistema bidimensional tradicional. La investigación aclara que se trata de un “superconductor topológico anómalo”, ya que la suma de los números topológicos de los conos de Majorana no se cancela en cada superficie, sino solo cuando se considera el conjunto de ambas superficies del cristal .
Este tipo de estructura solo puede existir en sistemas tridimensionales, lo que le da a PtBi₂ una posición privilegiada en el estudio de fases topológicas en superconductividad. Si se logra manipular correctamente su grosor, orientación y simetrías, podría convertirse en una plataforma clave para estudiar efectos cuánticos en condiciones accesibles.
Próximos pasos y desafíos por resolver
Aunque el descubrimiento es notable, también deja muchas preguntas abiertas. Una de ellas es: ¿por qué se produce este emparejamiento i-wave tan extraño? En otros materiales con simetrías complejas, como los cupratos, se ha sugerido que las interacciones electrón-electrón juegan un papel importante. Pero en PtBi₂ no se han observado interacciones fuertes de este tipo.
Según los autores, la clave puede estar en el carácter topológico de los estados superficiales, que ya de por sí son muy diferentes a los del volumen. “La manera en que emerge una superconductividad i-wave a partir del emparejamiento de estos estados topológicos aún no está establecida” .
Además, queda por explorar cómo puede usarse este material en la práctica. ¿Se podrán mover las partículas de Majorana? ¿Será posible mantenerlas estables durante suficiente tiempo como para hacer cálculos cuánticos? Una opción que sugieren los investigadores es aplicar un campo magnético para trasladar las Majoranas desde los bordes a las esquinas del cristal, una configuración potencialmente útil para construir puertas lógicas cuánticas.
Otra posibilidad es crear uniones Josephson planas, aprovechando la diferencia de fase entre las superficies superior e inferior. Todo esto está aún en fase teórica, pero el hecho de que un solo material pueda ofrecer tantas oportunidades experimentales lo convierte en uno de los hallazgos más relevantes en física del estado sólido de los últimos años.
Referencias
- Susmita Changdar, Oleksandr Suvorov, Andrii Kuibarov, Setti Thirupathaiah, Grigory Shipunov, Saicharan Aswartham, Sabine Wurmehl, Iryna Kovalchuk, Klaus Koepernik, Carsten Timm, Bernd Büchner, Ion Cosma Fulga, Sergey Borisenko, Jeroen van den Brink. Topological nodal i-wave superconductivity in PtBi₂. Nature, vol. 647, 20 de noviembre de 2025. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-025-09712-6.
Cortesía de Muy Interesante
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