Investigation
Nuevo microscopio para el estudio de superconductores
Investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) han diseñado un microscopio que permite observar con precisión atómica el efecto Josephson, clave en la superconductividad. El nuevo sistema, descrito en Nature Communications, genera oscilaciones espontáneas entre dos estados de conducción y mantiene señales estables incluso a temperaturas elevadas.
El microscopio consta de una punta de tamaño atómico (azul) que se mueve sobre una superficie atómicamente plana (verde y amarillo). La retroalimentación se representa como flechas en un círculo. Se intercambian pares de Cooper superconductores (esferas con flechas hacia arriba y abajo, que representan el espín de los electrones que forman el par de Cooper) entre punta y muestra. El resultado de la retroalimentación es una señal oscilatoria en función del tiempo (esquina superior derecha). El comportamiento del sistema se puede modelizar mediante un potencial inclinado (esquina inferior derecha) /Fuente: autores y scixel.
Investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) han desarrollado un nuevo microscopio para el estudio de superconductores a escala atómica. Se trata del microscopio Josephson retroalimentado, un dispositivo que abre nuevas vías para explorar el comportamiento de los pares de Cooper —las parejas de electrones responsables de la superconductividad—.
El estudio, publicado en la revista Nature Communications, analiza cómo dos electrodos superconductores separados por una distancia de apenas un átomo pueden intercambiar pares de Cooper a través del llamado efecto Josephson. No obstante, en estos contactos ultrapequeños, las corrientes Josephson tienden a ser débiles y muy sensibles a las fluctuaciones térmicas, lo que dificulta su detección.
Para superar esta limitación, el equipo de la UAM incorporó al circuito un sistema de retroalimentación electrónica que da lugar a un comportamiento inédito: el llamado régimen biestable. En este régimen dinámico, el sistema oscila de forma espontánea y periódica entre dos estados distintos de conducción de pares de Cooper.
“Los cálculos que hemos realizado sugieren que uno de estos estados se asemeja en cierto modo al efecto Josephson continuo (DC), donde circula corriente sin caída de voltaje, y el otro al efecto Josephson alterno (AC), caracterizado por la presencia de voltaje. Lo más sorprendente es que estas oscilaciones no requieren señales externas: surgen de forma autónoma gracias al retardo inducido por la retroalimentación del propio circuito”, detalla uno de los investigadores de la UAM involucrados, Alfredo Levy Yeyati.
Una señal robusta frente a la temperatura
Una de las características más destacadas de este nuevo régimen es que la corriente media generada se mantiene prácticamente constante frente a variaciones de temperatura. Esta estabilidad representa un avance significativo frente a las técnicas tradicionales, en las que la señal Josephson se degrada rápidamente al aumentar la temperatura.
El equipo ha integrado este sistema en un microscopio de efecto túnel, lo que ha permitido realizar mapas de alta resolución del acoplamiento Josephson sobre la superficie de un superconductor, con precisión a escala atómica.
Detección de ondas de densidad de pares
Para demostrar el potencial de esta nueva herramienta, los investigadores aplicaron su técnica al superconductor 2H-NbSe₂ y observaron modulaciones espaciales que evidencian la presencia de una onda de densidad de pares (pair density wave). Este fenómeno consiste en variaciones periódicas en la densidad de los pares de Cooper y se asocia con otros estados de orden electrónico, como las ondas de carga, característicos de ciertos superconductores no convencionales.
Además, los autores destacan que su método podría ser especialmente útil para estudiar materiales con superconductividad topológica u otros sistemas en los que el acoplamiento Josephson se ve alterado por estados electrónicos exóticos.
En conjunto, este trabajo presenta un nuevo enfoque para explorar el efecto Josephson con señales claras y estables incluso en escalas atómicas. “El nuevo microscopio se perfila como una herramienta poderosa para investigar las propiedades fundamentales de los superconductores, con una resolución sin precedentes y potencial para desvelar nuevos fenómenos en la física de la materia condensada”, concluye el director del trabajo, Hermann Suderow.
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Referencia bibliográfica:
Escribano, S. D., Barrena, V., Perconte, D., Moreno, J. A., Fernández Lomana, M., Águeda, M., Herrera, E., Wu, B., Rodrigo, J. G., Prada, E., Guillamón, I., Levy Yeyati, A., & Suderow, H. (2025). The feedback driven atomic scale Josephson microscope. Nature Communications, 16(5843). https://doi.org/10.1038/s41467-025-60569-9
Más información: UAM Gazette