Las ideas antiguas no siempre quedan enterradas en los libros de historia y el contexto de la física de materiales no iba a ser diferente. A veces, resurgen con fuerza para abrir nuevos caminos. Este es el caso de un mecanismo teórico propuesto por el físico Gregory Breit en 1929, conocido como interacción espín-órbita de pares (PSOI, por sus siglas en inglés). En su momento, se consideró demasiado débil para tener aplicaciones prácticas, pero un nuevo estudio liderado por los físicos Yasha Gindikin y Alex Kamenev, de la Universidad de Minnesota, ha revelado que esta interacción podría ser la clave para diseñar superconductores no convencionales.
Los superconductores son materiales fascinantes porque permiten que la electricidad fluya sin resistencia. Sin embargo, la búsqueda de nuevos mecanismos y materiales que los hagan más útiles en la práctica es un desafío constante. La propuesta de Gindikin y Kamenev no solo revive una teoría olvidada, sino que sugiere que en materiales con el efecto Rashba —donde los electrones se comportan de forma particular debido a la interacción entre su espín y el campo eléctrico— el PSOI podría generar estados superconductores con propiedades únicas.
El legado del trabajo de Gregory Breit en 1929
El trabajo de Gregory Breit, titulado “The Effect of Retardation on the Interaction of Two Electrons”, fue publicado en Physical Review y marcó un hito en el estudio de interacciones entre electrones. Breit, reconocido por ser uno de los físicos teóricos más destacados de su época, desarrolló en este artículo ecuaciones que describían cómo los electrones interactúan mediante fuerzas magnéticas y eléctricas en el marco de la recién nacida mecánica cuántica. Este estudio fue una extensión de la ecuación de Dirac, ya que incorporó efectos relativistas y de retardo para proporcionar una descripción más precisa de las interacciones electrónicas.
A pesar de que los cálculos de Breit eran precisos, en su momento se consideró que las correcciones que introducía —como la interacción espín-órbita de pares (PSOI)— eran demasiado pequeñas para influir en los materiales sólidos. Sin embargo, su trabajo no quedó limitado a este campo. Gregory Breit también dejó su huella en otros ámbitos de la física, como su colaboración con John A. Wheeler en el proceso Breit-Wheeler, que describe la creación de pares electrón-positrón a partir de la colisión de fotones de alta energía. Este proceso, fundamental para entender cómo la luz puede transformarse en materia, subraya la relevancia del enfoque pionero de Breit en áreas que décadas después seguirían siendo exploradas.
El redescubrimiento de la interacción espín-órbita de pares no solo pone en valor el trabajo de Breit, sino que también abre nuevas líneas de investigación en la física de materiales. Este mecanismo, combinado con las propiedades únicas de los materiales Rashba, representa una oportunidad única para diseñar superconductores no convencionales, y muestra cómo las ideas de un físico visionario siguen teniendo impacto casi un siglo después.
¿Qué es el efecto Rashba?
El efecto Rashba fue descrito en los años 1960 y se refiere a cómo los electrones reaccionan cuando se encuentran en un material que carece de simetría de inversión espacial. Esta interacción hace que los electrones con espines opuestos se separen en diferentes bandas de conducción. En términos simples, el efecto Rashba permite controlar los electrones con solo aplicar un campo eléctrico, algo que tiene un enorme potencial para la tecnología espintrónica.
Este efecto se ha estudiado durante décadas y se encuentra en materiales como ciertos semiconductores, óxidos metálicos y compuestos con capas bidimensionales. Lo que hace que los materiales Rashba sean cruciales para la superconductividad no convencional es que proporcionan un entorno donde la interacción espín-órbita de pares (PSOI) se vuelve más fuerte de lo esperado. Según Gindikin y Kamenev, esta interacción podría ser suficiente para inducir superconductividad con paridad impar, un tipo exótico de estado superconductor.
Un ejemplo famoso de material con efecto Rashba es el BiTeI (yoduro de bismuto-telurio), que ha sido estudiado por su capacidad de generar corrientes electrónicas polarizadas sin necesidad de campos magnéticos. Estos materiales representan una plataforma ideal para explorar las predicciones del nuevo estudio.
El papel del PSOI en la superconductividad
La interacción espín-órbita de pares (PSOI) se produce cuando dos electrones, al moverse en un material, sienten un campo magnético generado por su movimiento relativo. Este fenómeno, dictado por la teoría de la relatividad especial, fue ignorado durante mucho tiempo debido a que se pensaba que era insignificante. Sin embargo, en los materiales Rashba, Gindikin y Kamenev encontraron que el PSOI puede volverse lo suficientemente fuerte como para provocar el emparejamiento de electrones y generar superconductividad.
En su modelo, los electrones forman pares no convencionales con una paridad impar. Esto significa que el estado superconductor resultante tiene propiedades distintas a las de los superconductores convencionales, como los descritos por la teoría BCS (Bardeen-Cooper-Schrieffer). Por otra parte, este estado sería altamente sensible a la presencia de impurezas, lo que lo hace difícil de observar pero posible en materiales ultrapuros y a temperaturas muy bajas, de unos pocos cientos de milikelvin.
El PSOI no solo introduce un nuevo mecanismo de emparejamiento electrónico, sino que también plantea la posibilidad de coexistencia entre fases superconductoras y ferromagnéticas, algo extremadamente raro. Este fenómeno podría abrir las puertas a nuevos dispositivos cuánticos.
Predicciones experimentales y aplicaciones
El modelo teórico de Gindikin y Kamenev genera varias predicciones que podrían ser verificadas experimentalmente. Una de las más importantes es que los superconductores con paridad impar inducidos por PSOI deberían presentar transiciones de fase únicas y ser muy sensibles a la contaminación o defectos estructurales. Esto implica que cualquier intento de detectar estos estados requeriría materiales ultrapuros, un desafío técnico pero alcanzable con las técnicas actuales.
En términos de aplicaciones, este descubrimiento podría revolucionar la espintrónica cuántica, un campo que busca manipular el espín de los electrones en lugar de su carga eléctrica para desarrollar tecnologías más eficientes. Los dispositivos basados en superconductores Rashba podrían servir como interruptores cuánticos o elementos clave para computadoras cuánticas. Aunque estamos lejos de aplicaciones prácticas, las bases teóricas establecidas por este estudio son un primer paso emocionante.
Conexión histórica y futuro de la teoría
La conexión entre trabajo de Breit de 1929 y el redescubrimiento del PSOI en la actualidad es un ejemplo de cómo las ideas científicas pueden ser redescubiertas y reinterpretadas en nuevos contextos. Lo que en su momento parecía una curiosidad teórica se ha convertido en una pieza clave para entender fenómenos exóticos en materiales modernos.
El efecto Rashba, por otro lado, se consolida como un tema central en la física de materiales. Su capacidad para controlar el comportamiento de los electrones con campos eléctricos abre un sinfín de posibilidades tanto en el ámbito teórico como experimental. A medida que avanzamos hacia una era de tecnologías cuánticas, estudios como este nos muestran cómo las ideas del pasado pueden iluminar nuestro camino hacia el futuro.
Referencias
- G. Breit, The effect of retardation on the interaction of two electrons, Physical Review 34, 553 (1929). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.111.035104
- Y. Gindikin and A. Kamenev, Electron interactions in Rashba materials, Physical Review B 111, 035104 (2025). DOI.
Cortesía de Muy Interesante
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