El mosaico de la superconductividad

Un equipo investigador del Donostia International Physics Center (DIPC) ha logrado un avance clave en la comprensión de la superconductividad en una familia de materiales conocidos como TMDs (dicalcogenuros de metales de transición). Su trabajo ha sido publicado en la portada de la última edición de la prestigiosa revista Nano Letters desvelando cómo se desarrolla la superconductividad en el material a escala microscópica en presencia de una onda de densidad de carga.

Los TMDs son materiales bidimensionales extremadamente versátiles. Se pueden exfoliar como el grafeno, obteniendo capas bidimensionales, lo que los convierte en candidatos ideales para diseñar materiales con propiedades específicas. Los TMDs se caracterizan por presentar propiedades electrónicas radicalmente distintas simplemente cambiando el metal de transición: desde semiconductores (MoS₂), metales (TiSe₂) e, incluso, superconductores (NbSe₂).

Algunos de estos materiales TMD son superconductores y, de hecho, coexisten habitualmente con otras fases electrónicas, entre las que destaca la fase llamada onda de densidad de carga (CDW, por sus siglas en inglés), una especie de "ola" en la distribución electrónica sobre el material. En uno de los materiales TMD estudiados en este trabajo (TaS₂), la presencia de esta onda de densidad hace que el material sea aislante y, por tanto, incompatible con la superconductividad. Sin embargo, en esta familia de materiales al sustituir gradualmente el azufre (S) por selenio (Se), a un cierto punto la superconductividad surge espontáneamente. Este es el caso del material estudiado, TaSSe, un TMD con la mitad de átomos de azufre y selenio.

La pregunta de por qué surge la superconductividad en estas aleaciones cuando la fase CDW, en principio, le confiere un carácter aislante, es el objeto del estudio del grupo de investigadores del DIPC. Curiosamente, la superconductividad surge en TaSSe porque la CDW del material sufre un cambio muy radical “rompiéndose”, presentando un aspecto de mosaico (tal y como se conoce a esta nueva fase CDW) con dominios de pocos nanómetros haciendo las veces de “teselas”, cada una de las pequeñas piezas que forma un mosaico. Esta nueva fase mosaico (ver imagen) genera una gran cantidad de bordes entre las teselas que se han relacionado con la metalicidad del material y, por tanto, con el origen de la superconductividad.

Las y los investigadores del DIPC ha estudiado la compleja dependencia mutua entre la fase CDW y la superconductividad en estos materiales basándose en medidas de microscopía de efecto túnel (STM) de alta resolución. El equipo ha demostrado que, si bien es necesario que la CDW presente un aspecto “mosaico” para que surja la superconductividad, ésta no surge en los bordes entre “teselas”. Al contrario, “lo que vemos con el STM es que, incluso por encima de la temperatura crítica superconductora, todo el material es metálico, y no solo en los bordes”, explica Miguel Moreno Ugeda, investigador Ikerbasque del DIPC y uno de los autores del trabajo. “Al bajar la temperatura aún más y hacer al material superconductor, vemos que, efectivamente, la superconductividad no se restringe a zonas concretas, sino que se extiende homogéneamente por todo el material”, añade Ugeda.

Además, proponen una nueva explicación: la aparición de la superconductividad no se debe a estos bordes metálicos, sino al desorden vertical de la CDW que induce la fase mosaica al aparecer independientemente en cada capa del material —uno puede imaginarse un TMD como una especie de hojaldre o pila de hojas desalineadas—, que transforma el sistema en un metal y, posteriormente, permite la aparición de la superconductividad.

El estudio ha sido realizado casi en su totalidad por personal investigador del DIPC. “Ha sido muy bonito poder llevar a cabo un trabajo tan completo prácticamente en casa; personalmente me hace mucha ilusión”, comenta Miguel Moreno Ugeda, que destaca el valor de la colaboración interna para alcanzar resultados de alto impacto.

Aunque se trata de una investigación de carácter fundamental, este tipo de superconductividad, que emerge a partir del desorden en sistemas bidimensionales, podría ser relevante para el diseño de nuevos dispositivos cuánticos. De momento, el trabajo aporta una comprensión clave para entender la interacción entre distintas fases electrónicas que coexisten en estos materiales tan relevantes.