Investigadores de la Universidad de Maryland (Estados Unidos) han capturado la evidencia más directa hasta la fecha de una peculiaridad cuántica que permite a las partículas atravesar una barrera como si ni siquiera estuvieran allí. El resultado, que aparece en la portada del último número de la revista 'Nature', puede permitir a los ingenieros diseñar componentes más uniformes para futuras computadoras cuánticas, sensores cuánticos y otros dispositivos.

El nuevo experimento es una observación de la tunelización de Klein, un caso especial de un fenómeno cuántico más común. En el mundo cuántico, los túneles permiten que partículas como los electrones pasen a través de una barrera, incluso si no tienen la energía suficiente para pasar por encima de ella. Una barrera más alta generalmente hace que esto sea más difícil y deja pasar menos partículas.

La tunelización de Klein ocurre cuando la barrera se vuelve completamente transparente, abriendo un portal que las partículas pueden atravesar independientemente de la altura de la barrera. Científicos e ingenieros del Centro de Nanofísica y Materiales Avanzados (CNAM) de la UMD, el Joint Quantum Institute (JQI) y el Centro de Teoría de la Materia Condensada (CMTC), han conseguido las medidas más convincentes hasta ahora del efecto.

"La tunelización de Klein fue originalmente un efecto relativista que se predijo por primera vez hace casi cien años --explica Ichiro Takeuchi, profesor de Ciencia e Ingeniería de Materiales en la UMD y autor principal del nuevo estudio--. Hasta hace poco, sin embargo, no se podía observar".

Era casi imposible reunir pruebas de los túneles de Klein donde se predijo por primera vez: el mundo de las partículas cuánticas de alta energía que se acercan a la velocidad de la luz. Pero en las últimas décadas, los científicos han descubierto que algunas de las reglas que rigen las partículas cuánticas de rápido movimiento también se aplican a las partículas relativamente lentas que viajan cerca de la superficie de algunos materiales inusuales.

Uno de estos materiales, que los investigadores usaron en el nuevo estudio, es el hexaboruro de samario (SmB6), una sustancia que se convierte en un aislante topológico a bajas temperaturas. En un aislante normal como madera, caucho o aire, los electrones quedan atrapados, no pueden moverse incluso cuando se aplica voltaje. Por lo tanto, los electrones en un aislante no pueden conducir una corriente.

Los aisladores topológicos como SmB6 se comportan como materiales híbridos. A temperaturas suficientemente bajas, el interior de SmB6 es un aislante, pero la superficie es metálica y permite a los electrones cierta libertad para moverse. Además, la dirección en la que se mueven los electrones se bloquea en una propiedad cuántica intrínseca llamada espín que puede orientarse hacia arriba o hacia abajo. Los electrones que se mueven hacia la derecha siempre tendrán su giro apuntando hacia arriba, por ejemplo, y los electrones que se mueven hacia la izquierda apuntarán hacia abajo.

Sin embargo, la superficie metálica de SmB6 no habría sido suficiente para detectar la tunelización de Klein. Resultó que Takeuchi y sus colegas necesitaban transformar la superficie de SmB6 en un superconductor, un material que puede conducir la corriente eléctrica sin ninguna resistencia.

Para convertir SmB6 en un superconductor, colocaron una película delgada sobre una capa de hexaboruro de itrio (YB6). Cuando todo el conjunto se enfrió a unos pocos grados por encima del cero absoluto, el YB6 se convirtió en un superconductor y, debido a su proximidad, la superficie metálica del SmB6 también lo hizo.

Según Johnpierre Paglione, profesor de física en la UMD, director de CNAM y coautor del artículo de investigación, fue una "casualidad" que SmB6 y su 'pariente' intercambiado con itrio compartieran la misma estructura de cristal. "Sin embargo, el equipo multidisciplinario que tuvimos fue una de las claves de este éxito. Contar con expertos en física topológica, síntesis de películas finas, espectroscopia y comprensión teórica nos llevó a este punto", agrega Paglione.

Resultó ser la combinación correcta para observar la tunelización de Klein. Al poner una pequeña punta de metal en contacto con la parte superior del SmB6, el equipo midió el transporte de electrones desde la punta al superconductor. Observaron una conductancia perfectamente duplicada: una medida de cómo cambia la corriente a través de un material a medida que varía la tensión a través de ella.

"Cuando observamos por primera vez la duplicación, no lo creí --admite Takeuchi--. Después de todo es una observación inusual, así que le pedí a mi postdoctorado Seunghun Lee y al científico investigador Xiaohang Zhang que realicen el experimento de nuevo".

Cuando Takeuchi y sus colegas se convencieron de que las mediciones eran precisas, inicialmente no entendieron la fuente de la conductancia duplicada. Así que comenzaron a buscar una explicación. Victor Galitski de UMD, un miembro de JQI, profesor de física y miembro de CMTC, sugirió que el túnel de Klein podría estar involucrado. "Al principio, fue solo una corazonada --añade Galitski--. Pero con el tiempo nos convencimos más de que el escenario de Klein podría ser la causa subyacente de las observaciones".

Valentin Stanev, científico investigador asociado en MSE y científico investigador en JQI, tomó la corazonada de Galitski y elaboró una cuidadosa teoría de cómo podría surgir el túnel de Klein en el sistema SmB6, haciendo predicciones que coincidían con los datos experimentales.

La teoría sugería que el túnel de Klein se manifiesta en este sistema como una forma perfecta de Reflexión de Andreev, un efecto presente en cada límite entre un metal y un superconductor. La Reflexión de Andreev puede ocurrir cuando un electrón del metal salta a un superconductor. En el interior del superconductor, los electrones se ven obligados a vivir en pares, por lo que cuando un electrón salta, recoge un compañero.

Para equilibrar la carga eléctrica antes y después del salto, una partícula con la carga opuesta, que los científicos llaman un agujero, debe reflejarse nuevamente en el metal. Este es el sello distintivo de la Reflexión de Andreev: entra un electrón, sale un agujero. Y dado que un agujero que se mueve en una dirección transporta la misma corriente que un electrón que se mueve en la dirección opuesta, todo este proceso duplica la conductancia general, la firma de Klein que hace un túnel a través de una unión de un metal y un superconductor topológico.

En las uniones convencionales entre un metal y un superconductor, siempre hay algunos electrones que no dan el salto. Se dispersan fuera del límite, lo que reduce la cantidad de reflexión de Andreev y evita una duplicación exacta de la conductancia.

Pero como los electrones en la superficie de SmB6 tienen su dirección de movimiento vinculada a su giro, los electrones cerca del límite no pueden rebotar, lo que significa que siempre transitarán directamente hacia el superconductor.

Las uniones entre superconductores y otros materiales son ingredientes en algunas arquitecturas de computadora cuánticas propuestas, así como en dispositivos de detección de precisión. La perdición de estos componentes siempre ha sido que cada cruce es ligeramente diferente, recuerda Takeuchi, que requiere un ajuste y calibración sin fin para alcanzar el mejor rendimiento. Pero con el túnel de Klein en SmB6, los investigadores podrían finalmente tener un antídoto contra esa irregularidad.

"En electrónica, la propagación de dispositivo a dispositivo es el enemigo número uno --concluyen Takeuchi--. Aquí hay un fenómeno que se deshace de la variabilidad".