Field-controlled breaking and restoration of parity-time symmetry in Josephson interference

La simetría es la gramática oculta del mundo físico, un conjunto de reglas que dicta cómo se comporta la materia y cómo se mueve la energía. En el reino de la física cuántica, donde las partículas actúan más como ondas que como objetos sólidos, estas reglas son especialmente estrictas. Los científicos suelen buscar formas de romper estas simetrías para crear nuevos estados de la materia o para construir dispositivos que se comporten de maneras inusuales. Uno de los campos de estudio más fascinantes involucra a los superconductores, materiales que conducen electricidad con cero resistencia. Cuando dos superconductores están separados por una barrera delgada, aún pueden "hablar" entre sí, permitiendo que una corriente fluya a través del espacio sin una batería. Este flujo, conocido como supercorriente, es increíblemente sensible a los campos magnéticos. Al aplicar un campo magnético, los investigadores pueden hacer que esta corriente interfiera consigo misma, creando un patrón de picos y valles similar a las ondas formadas cuando se lanzan dos piedras en un estanque. Comprender cómo controlar estos patrones permite a los científicos diseñar dispositivos cuánticos con propiedades específicas y útiles.

Un equipo de investigadores ha demostrado ahora una forma de encender y apagar estos patrones de interferencia, y de cambiar su forma, simplemente rotando un campo magnético. Trabajando con un dispositivo hecho de una lámina delgada de un material llamado telururo de platino, sándwich entre dos electrodos superconductores, descubrieron que la dirección del campo magnético con respecto a la corriente eléctrica actúa como un interruptor maestro. Cuando el campo magnético se aplica en una dirección específica, el patrón de interferencia se vuelve desequilibrado, con un lado del patrón de ondas mucho más grande que el otro. Sin embargo, si rotan el campo noventa grados, el patrón vuelve instantáneamente a una forma perfecta y simétrica, a pesar de que el campo magnético sigue siendo fuerte. Esta capacidad de alternar entre una simetría rota y una restaurada ofrece una nueva forma de controlar el transporte cuántico, convirtiendo la geometría del campo magnético en una herramienta para reconfigurar el comportamiento del dispositivo.

El experimento tuvo lugar en un laboratorio enfriado a una temperatura justo por encima del cero absoluto, aproximadamente 50 milikelvin, para asegurar que los delicados efectos cuánticos permanecieran visibles. Los investigadores construyeron su dispositivo utilizando una lámina de telururo de platino que tenía entre 20 y 40 nanómetros de espesor. Unieron electrodos superconductores hechos de niobio-titanio a ambos lados de la lámina, creando una unión donde la supercorriente pudiera fluir. Para sondear el sistema, aplicaron un campo magnético que tenía dos componentes: uno apuntando directamente hacia arriba a través del dispositivo y otro situado de forma plana dentro del plano del material. Al cambiar el ángulo de este campo plano, en el plano, con respecto a la dirección de la corriente, pudieron observar cómo evolucionaba el patrón de interferencia.

Cuando no había un campo magnético plano, el dispositivo se comportaba como se esperaba, produciendo un patrón clásico y simétrico conocido como patrón de Fraunhofer. Este patrón presenta un pico central grande con picos más pequeños y uniformemente espaciados a ambos lados, lo que indica que la supercorriente fluía uniformemente a través de la unión. Pero en el momento en que introdujeron un campo magnético plano paralelo a la corriente, la simetría desapareció. El patrón se volvió fuertemente distorsionado, con los picos de un lado del máximo central encogiéndose mientras que los picos del otro lado crecían. Esta asimetría fue tan pronunciada que parecía que una imagen especular de sí misma se hubiera volteado. Los investigadores encontraron que este efecto no era aleatorio; dependía enteramente del ángulo entre la corriente y el campo magnético. Cuando el campo era paralelo a la corriente, la distorsión era en su peor punto. Cuando rotaron el campo para que fuera perpendicular a la corriente, el patrón regresó instantáneamente a su estado original y simétrico.

Para entender por qué estaba sucediendo esto, el equipo desarrolló un modelo microscópico de lo que ocurría dentro del dispositivo. Se dieron cuenta de que los electrodos superconductores no eran solo paredes pasivas; ellos remodelaban activamente las líneas del campo magnético que pasaban a través de ellos. Debido a una propiedad llamada efecto Meissner, que causa que los superconductores expulsen los campos magnéticos, las líneas del campo magnético plano se ven obligadas a curvarse a medida que se acercan a los bordes de los electrodos. Este curvamiento creó pequeñas regiones localizadas donde el campo magnético apuntaba hacia arriba en un punto y hacia abajo en otro, formando efectivamente un dipolo magnético justo en la interfaz entre el superconductor y el material normal.

Estos diminutos dipolos magnéticos actuaron como manos invisibles, empujando y tirando de las trayectorias tomadas por los electrones que fluyen a través de la unión. En un material perfecto y sin fallas, estos empujes se cancelarían entre sí. Sin embargo, los materiales reales siempre contienen cierto desorden: pequeñas imperfecciones en la estructura atómica que dispersan los electrones. Debido a este desorden, los electrones tomaron diferentes caminos sinuosos a través de la unión. Algunos caminos muestreaban la parte "hacia arriba" del dipolo magnético, mientras que otros muestreaban la parte "hacia abajo". Cuando los investigadores invirtieron la dirección del campo magnético principal, los electrones en estos diferentes caminos experimentaron un empuje neto distinto, causando que el patrón de interferencia se desplazara y se volviera asimétrico. La fuerza de este efecto dependía de cómo estaba orientado el campo plano. Cuando el campo era paralelo a la corriente, el curvamiento de las líneas del campo se maximizaba, creando dipolos fuertes que desordenaban el patrón de interferencia. Cuando el campo era perpendicular, el curvamiento se minimizaba, los dipolos desaparecían y la simetría se restauraba.

Los investigadores fueron cuidadosos al descartar otras explicaciones posibles. Consideraron si el material mismo tenía una propiedad intrínseca que favoreciera una dirección sobre otra, pero sus experimentos mostraron que el efecto rotaba con el dispositivo, no con la estructura cristalina del material. También probaron el dispositivo con diferentes longitudes y orientaciones, y el comportamiento se mantuvo constante, confirmando que el fenómeno era impulsado por la geometría del campo y la corriente, no por un fallo específico en la muestra. Además, utilizaron simulaciones por computadora para modelar el sistema, incorporando los efectos del desorden y la focalización del campo magnético. Estas simulaciones reprodujeron perfectamente los resultados experimentales, mostrando que la interacción entre las líneas curvas del campo magnético y las trayectorias desordenadas de los electrones era, de hecho, la causa.

Este descubrimiento establece un nuevo tipo de dispositivo cuántico controlable. Simplemente rotando un campo magnético, los científicos pueden ahora cambiar una unión superconductora entre un estado donde la simetría está rota y un estado donde la simetría es restaurada. Esto no es solo una curiosidad teórica; proporciona un método práctico para la ingeniería de la simetría del transporte cuántico. La capacidad de seleccionar qué operación de simetría está siendo sondeada mediante el cambio de la geometría del campo y la corriente abre la puerta a nuevos tipos de sensores y conmutadores. Por ejemplo, el dispositivo podría usarse para detectar la orientación de un campo magnético con alta precisión o para mapear las trayectorias que las supercorrientes toman a través de un material. El trabajo destaca cómo el desorden, a menudo visto como un estorbo en los sistemas cuánticos, puede ser aprovechado como una característica cuando se combina con el entorno magnético adecuado.

Los hallazgos sugieren que el comportamiento de estos dispositivos está gobernado por un delicado equilibrio entre la capacidad del campo magnético para enfocar el flujo y la naturaleza aleatoria de la estructura interna del material. Los investigadores señalaron que este efecto persiste hasta fuerzas de campo magnético de unos 70 militesla, un rango considerable para estos fenómenos cuánticos tan delicados. La restauración de la simetría en el ángulo perpendicular es particularmente robusta, manteniéndose así incluso a medida que aumenta la fuerza del campo. Esto sugiere que el mecanismo es estable y confiable, lo que lo convierte en un candidato prometedor para futuras aplicaciones en tecnología cuántica.

En el contexto más amplio de la física, este trabajo contribuye a la creciente comprensión de cómo manipular los estados cuánticos utilizando campos externos. Demuestra que la simetría no es solo una propiedad fija de un material, sino un grado de libertad dinámico que puede ajustarse en tiempo real. Los investigadores han demostrado que, al controlar la orientación relativa de la corriente y el campo magnético, uno puede efectivamente escribir y borrar las reglas de interferencia para los electrones superconductores. Este nivel de control es un paso significativo hacia la construcción de circuitos cuánticos más sofisticados, donde la capacidad de reconfigurar el comportamiento de un dispositivo sobre la marcha es esencial. El estudio proporciona un camino claro y experimentalmente verificado para lograr esto, basado en la física fundamental de cómo los campos magnéticos interactúan con los superconductores y los materiales desordenados.