Vórtices cuánticos confirman la superconductividad bidimensional en la superficie de un semimetal de Weyl

La superficie del semimetal de Weyl γ-PtBi₂ alberga una forma robusta de superconductividad bidimensional que no se observa en el interior del material. Así lo demuestra un estudio internacional, publicado en Physical Review Letters, que aporta dos pruebas directas del fenómeno: una red de vórtices cuantizados y el efecto Josephson.

La superconductividad aparece en determinados materiales cuando se enfrían a temperaturas cercanas al cero absoluto —0 kelvin, equivalente a −273,15 °C—. En esas condiciones, los electrones pueden formar pares y desplazarse sin resistencia eléctrica.

Para estudiar este comportamiento, un equipo del Laboratorio de Bajas Temperaturas y Altos Campos Magnéticos de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), en colaboración con el Ames National Laboratory, la Universidad Estatal de Iowa (Estados Unidos) y la Universidad de Burdeos (Francia), examinó la superficie de γ-PtBi₂ mediante un microscopio de efecto túnel acoplado a un refrigerador de dilución.

Esta técnica permitió enfriar la muestra hasta aproximadamente 0,1 kelvin, una temperatura esencial para observar el fenómeno con precisión. Los resultados muestran que la superficie se vuelve superconductora por debajo de los 2,9 kelvin. En cambio, el interior del material no presenta indicios de superconductividad en las condiciones analizadas. Este contraste indica que el fenómeno está confinado a una capa superficial muy fina y sugiere que podría estar relacionado con los estados electrónicos topológicos característicos de este semimetal de Weyl.

Vórtices cuantizados: la pieza que faltaba

Estudios anteriores habían encontrado indicios de superconductividad superficial en γ-PtBi₂ mediante técnicas de fotoemisión y microscopía de efecto túnel. Sin embargo, hasta ahora ningún experimento había logrado observar vórtices superconductores.

Estos vórtices son diminutas regiones alrededor de las cuales circula una corriente superconductora y por cuyo núcleo penetra una cantidad cuantizada de flujo magnético. Se forman cuando se aplica un campo magnético a determinados superconductores y constituyen una prueba de que los pares de electrones mantienen una fase cuántica coherente a escala macroscópica.

El equipo ha visualizado por primera vez una red de estos vórtices en la superficie de γ-PtBi₂. Además, comprobó que la separación entre ellos cambia con la intensidad del campo magnético de acuerdo con las predicciones de la teoría de Abrikósov.

Los investigadores obtuvieron una segunda evidencia mediante una punta superconductora de plomo. Con ella detectaron una señal intensa de corriente cuando el voltaje aplicado era cero, característica del efecto Josephson. Este fenómeno permite que pares de electrones atraviesen una barrera muy fina entre dos superconductores y demuestra que existe una fase cuántica bien definida.

Brian Josephson compartió el Premio Nobel de Física de 1973 con Leo Esaki e Ivar Giaever por sus descubrimientos sobre los fenómenos de efecto túnel en semiconductores y superconductores. Estos principios también son fundamentales para los circuitos superconductores empleados en varias plataformas de computación cuántica, un campo reconocido con el Nobel de Física de 2025.

Una posible conexión con la topología

γ-PtBi₂ no es un superconductor convencional, sino un semimetal de Weyl. En el interior de estos materiales existen puntos de Weyl, singularidades de su estructura electrónica protegidas por propiedades topológicas. Cuando estos puntos se proyectan sobre la superficie, aparecen unos estados electrónicos conocidos como arcos de Fermi.

A diferencia de las trayectorias electrónicas cerradas habituales, estos arcos permanecen abiertos y conectan en la superficie las proyecciones de puntos de Weyl con propiedades opuestas. Pueden entenderse como puentes electrónicos superficiales impuestos por la topología del material.

Mediante espectroscopía de interferencia cuántica de cuasipartículas, los investigadores analizaron cómo se dispersan los electrones en el límite de la brecha superconductora. Los vectores de dispersión observados coinciden con los que conectan los arcos de Fermi.

Esta correspondencia no demuestra por sí sola el origen topológico de la superconductividad, pero respalda la hipótesis de que el fenómeno está asociado con los estados electrónicos de la superficie y no con una alteración accidental del material.

Un caso singular de superconductividad bidimensional

El hallazgo se inscribe en un campo de investigación en plena expansión: el de la superconductividad bidimensional. Este fenómeno se ha observado en sistemas muy diversos, como el grafeno romboédrico, las estructuras de grafeno bicapa o tricapa girado y las láminas ultrafinas de otros materiales.

γ-PtBi₂ presenta, sin embargo, un escenario particular. Su superconductividad aparece en los propios estados electrónicos de la superficie de un semimetal topológico, sin necesidad de construir una interfaz artificial entre materiales diferentes.

Una de las preguntas pendientes es qué mecanismo provoca el emparejamiento de los electrones en esa superficie. Entre las posibles explicaciones se encuentra una interacción entre electrones y fonones —las vibraciones de la red cristalina— modificada por las condiciones particulares de la superficie. Un estudio teórico reciente propone que una interacción electrón-fonón anisótropa, combinada con la repulsión eléctrica apantallada entre los electrones, podría explicar algunas características de esta superconductividad.

Determinar cómo cambia la estructura de los fonones cerca de la superficie y qué papel desempeña en el emparejamiento electrónico será uno de los próximos retos para comprender el origen microscópico del fenómeno.

En busca de los modos de Majorana

La coexistencia de superconductividad, estados topológicos y vórtices convierte a γ-PtBi₂ en un sistema de interés para buscar modos de Majorana. Estas excitaciones cuánticas, que se comportan como sus propias antipartículas, podrían aparecer en el núcleo de los vórtices de ciertos superconductores topológicos.

Los modos de Majorana se consideran candidatos prometedores para almacenar información cuántica de manera menos vulnerable a algunas perturbaciones locales. Por ello, su detección constituye uno de los objetivos de la computación cuántica topológica.

En este estudio, el equipo no encontró una señal inequívoca de estos modos en los núcleos de los vórtices. Los investigadores consideran que el recorrido libre de los electrones en los fragmentos nanométricos examinados podría ser demasiado corto para hacerlos visibles.

No obstante, el trabajo identificó regiones atómicamente planas de la superficie en las que las condiciones parecen más favorables para buscarlos. Estas zonas ofrecen, por tanto, un punto de partida para futuros experimentos destinados a determinar si γ-PtBi₂ puede albergar excitaciones de Majorana.

Para saber más

La superconductividad y la superfluidez son manifestaciones distintas de un comportamiento cuántico colectivo. En un superconductor, la corriente eléctrica puede circular sin resistencia; en un superfluido, la materia fluye sin viscosidad.

El quinto estado de la materia: superfluidos y superconductores. Introducción audiovisual del IFIMAC–Condensed Matter Physics Center de la Universidad Autónoma de Madrid.

Una demostración del comportamiento del helio superfluido. Experimento presentado en El Hormiguero con la participación del equipo de bajas temperaturas de la UAM. Su interés es principalmente visual y algunas de sus explicaciones simplifican el fenómeno.

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Referencia bibliográfica:

J. A. Moreno, P. García Talavera, E. Herrera, S. López Valle, Z. Li, L.-L. Wang, S. Bud'ko, A. I. Buzdin, I. Guillamón, P. C. Canfield, H. Suderow. Robust two-dimensional surface superconductivity and vortex lattice in the Weyl semimetal γ-PtBi2. Phys. Rev. Lett. 2026. DOI: https://doi.org/10.1103/9cyw-m5zr

Más información:  UAM Gazette