Científicos en Austria descubren mecanismo detrás de superconductividad extrema en material de uranio

Un equipo de científicos del Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria (ISTA) ha logrado explicar uno de los comportamientos más desconcertantes en la física de materiales cuánticos: cómo el ditelururo de uranio recupera su superconductividad bajo condiciones magnéticas extremas, según un artículo publicado en Nature Communications.

El ditelururo de uranio, conocido como UTe2, es un superconductor no convencional descubierto en 2019 que permite el flujo de corriente eléctrica sin resistencia alguna. Sin embargo, este material exhibe una característica única: después de perder su superconductividad alrededor de los 10 Tesla, vuelve a entrar en un estado superconductor bajo campos magnéticos extremos entre 40 y 70 Tesla, según el estudio. Para poner esto en perspectiva, un Tesla es suficientemente fuerte como para levantar un automóvil en un desguace.

"Parece que cada medición en UTe2 descubre otro misterio. Nuestro trabajo ahora presenta evidencia del mecanismo detrás de algunos de estos misterios", dijo Kimberly Modic, profesora asistente en ISTA, según el comunicado institucional.

La superconductividad convencional, que ocurre solo a temperaturas extremadamente bajas, se entiende bien: las vibraciones en la estructura del material conducen a la unión de electrones en pares que viajan sin resistencia. Sin embargo, este mecanismo no explica el comportamiento de superconductores no convencionales como UTe2, según los investigadores.

"Hasta ahora, los investigadores han asumido que algo magnético debe estar detrás de la superconductividad en superconductores no convencionales", explicó Modic. De hecho, UCoGe y URhGe, dos superconductores no convencionales relacionados con UTe2, son magnéticos. "Pero el problema es que UTe2 no es magnético. Entonces, a primera vista, no es obvio por qué este material exhibe un estado superconductor tan especial", añadió.

Entre los tres estados distintos de resistencia cero descubiertos hasta la fecha en UTe2, el fenómeno de "superconductividad reentrante", que describe cómo la superconductividad reaparece bajo campos magnéticos extremos, es lo que más ha desconcertado a los investigadores, según el estudio. Además, este estado existe solo cuando el campo magnético está orientado en una dirección muy específica dentro del cristal, bajo temperaturas más frías que el espacio exterior.

"Aunque existen otros superconductores no convencionales, UTe2 hace que la palabra 'no convencional' suene casi como un eufemismo", afirmó Modic.

Para comprender mejor cómo surge esta superconductividad única en UTe2, el equipo buscó estudiar qué sucede cerca de las condiciones donde emerge la superconductividad reentrante, es decir, antes de que el material se vuelva superconductor bajo campos magnéticos altos. En instalaciones de campos pulsados, pueden someter sus muestras a ráfagas muy cortas de magnetismo extremo, en las que el campo magnético aumenta de 0 a 60 Tesla y vuelve en una décima de segundo, tan rápido como un parpadeo, según el comunicado.

El objetivo era investigar si este estado podría deberse a fluctuaciones magnéticas en el material, un fenómeno que, en teoría, podría explicar la superconductividad de campo alto.

"Diseñamos un método que nos permite interrogar la muestra bajo campos magnéticos extremos dándole un movimiento controlado", explicó Valeska Zambra, estudiante de doctorado que lideró el desarrollo de la nueva técnica. "Colocamos la muestra en un cantiléver, una especie de palanca, para manipularla y agitarla en el campo magnético. Desde el punto de vista del cristal, la agitación hace que parezca que la dirección del campo magnético oscila en el tiempo, permitiendo una verificación rápida de la magnetización bajo ese campo cambiante. Esto nos permite medir una propiedad importante llamada 'susceptibilidad magnética transversal' a la que nadie ha accedido bajo estas condiciones", detalló.

Con esta técnica, el equipo descubrió una región de gran susceptibilidad magnética transversal en UTe2 que probablemente actúa como el "pegamento" entre los electrones del material, proporcionando una razón para la superconductividad bajo campos magnéticos tan altos, según Zambra y Modic.

El equipo enfatiza la importancia del método para analizar las propiedades de este extraño material cuántico. De hecho, utilizan muestras más pequeñas que un grano de arena, lo que les permite medir piezas del material sin defectos. El grupo tiene experiencia en la fabricación de muestras a escalas tan pequeñas y capacidades únicas para controlar cómo se integran estas muestras diminutas en el experimento.

"Medir muestras pequeñas aproximadamente del grosor de un cabello humano es especialmente desafiante, pero esto es precisamente en lo que nuestro grupo se especializa. Mientras que muchas técnicas solo pueden aplicarse a cristales más grandes, el método de Valeska, desarrollado en nuestro grupo en ISTA, viene con la ventaja añadida de que también funciona en campos magnéticos altos donde la caja de herramientas de técnicas disponibles ya es muy limitada", dijo Modic. "Como tal, las instalaciones de campos altos se han puesto en contacto con Valeska para colaborar en el establecimiento de esta técnica en sus instalaciones", agregó.

Zambra y Modic subrayan el aspecto fundamental de su investigación, argumentando que necesitan comprender completamente estos nuevos estados de la materia antes de explorar aplicaciones potenciales. "A menudo, los científicos se dan cuenta de la utilidad de un nuevo hallazgo años o décadas después. El descubrimiento accidental de la superconductividad hace más de un siglo finalmente condujo al desarrollo de la técnica de imagen médica de resonancia magnética (IRM)", dijo Zambra.

Modic concluyó: "Podríamos estar viendo un tipo completamente nuevo de superconductividad para el cual aún no hemos imaginado aplicaciones. ¿Será útil para algo en el futuro? No lo sé. Pero es un misterio, y los misterios valen la pena perseguir".

El proyecto fue apoyado con financiamiento del Consejo Europeo de Investigación Starting Grant 101078696-TROPIC, la Oficina de Ciencias Básicas de Energía del Departamento de Energía de Estados Unidos bajo el número de premio DE-SC0020143, la Fundación Nacional de Ciencias a través de NSF/DMR-2128556 y DMR-2105191, el Estado de Florida, el Departamento de Energía de Estados Unidos y la subvención DOE/BES "Science of 100 T", según el comunicado.

El estudio, titulado "Giant transverse magnetic fluctuations at the edge of re-entrant superconductivity in UTe2", fue publicado en Nature Communications con el DOI: 10.1038/s41467-026-71899-7.