Evidencia de superconductividad de paridad impar sustentada por antiferromagnetismo en el metal de fermiones pesados YbRh2Si2

Un metal extraño que se vuelve un superconductor especial

La mayoría de los superconductores ya parecen exóticos: conducen la electricidad sin resistencia cuando se enfrían a temperaturas muy bajas. Pero una familia aún más rara, llamada superconductores topológicos, podría algún día proporcionar bloques básicos para tecnologías cuánticas robustas. En este estudio, los investigadores exploran un compuesto metálico inusual de fermiones pesados, YbRh2Si2, enfriado a unos pocos milésimos de grado por encima del cero absoluto, y encuentran indicios de que alberga un tipo raro de superconductividad estrechamente ligado a su magnetismo interno.

Por qué este material es inusual

YbRh2Si2 pertenece a una clase de materiales conocidos como metales de fermiones pesados, donde los electrones se comportan como si fueran cientos de veces más pesados de lo habitual debido a interacciones fuertes. A temperaturas muy bajas, este compuesto desarrolla una forma delicada de antiferromagnetismo, en la que los momentos atómicos vecinos se alinean en direcciones opuestas. Medidas anteriores insinuaron que la superconductividad aparece en este entorno extraño, pero la naturaleza del apareamiento que permite el flujo de corriente sin resistencia seguía sin claridad, y las señales superconductoras eran débiles y dependientes de la muestra.

Escuchando las corrientes eléctricas a temperaturas ultra-bajas

Para descubrir qué ocurre, el equipo desarrolló una forma ultra-sensible de medir la respuesta eléctrica de diminutos cristales simples a temperaturas por debajo de 10 milikelvin. Usaron un dispositivo de interferencia cuántica superconductora, o SQUID, para sondear la impedancia eléctrica compleja, que captura tanto la resistencia como los efectos inductivos a medida que varían la temperatura y el campo magnético. Estas medidas revelaron fronteras nítidas donde regiones dentro de cada muestra cambian entre comportamiento normal y superconductora, permitiendo a los investigadores trazar múltiples estados superconductores en función del campo magnético aplicado ya sea dentro de los planos del cristal o a lo largo del eje cristalino.

El magnetismo como ayudante y guardián

Los diagramas de fase resultantes muestran que la superconductividad en YbRh2Si2 es estable solo cuando el material está ordenado magnéticamente. Cuando el estado antiferromagnético principal, llamado AFM1, se destruye por un campo magnético aplicado, la superconductividad también desaparece de forma abrupta. A temperaturas aún más bajas surge un segundo patrón magnético, que implica tanto espines electrónicos como nucleares dispuestos en un patrón ondulatorio. De manera llamativa, el inicio de esta onda de densidad de espín electro-nuclear produce un aumento repentino en la respuesta superconductora, observado como una caída en la inductancia cinética de los electrones y un incremento en la escala de campo a la que se destruye la superconductividad.

Pistas sobre el tipo de pares superconductores

Siguiendo cómo depende la temperatura crítica del campo magnético, los investigadores pudieron determinar cuándo la superconductividad está limitada por la alineación magnética de los espines electrónicos, una restricción conocida como límite de Pauli. Algunas regiones superconductoras en las muestras siguen este límite para campos aplicados en el plano del cristal, mientras que otras sobreviven mucho más allá de él. Este comportamiento selectivo sugiere con fuerza que los pares de Cooper están en un estado spin-triplete, donde los espines se alinean en lugar de oponerse. El patrón de dependencia con el campo apunta en particular a un denominado estado helicoidal, una clase de fase superconductora topológica que es insensible a campos a lo largo del eje cristalino pero sensible a campos dentro del plano.

Cómo una onda magnética refuerza los pares

Para explicar el fortalecimiento repentino de la superconductividad cuando aparece el orden magnético electro-nuclear, los autores proponen que el estado superconductivo helicoidal se acopla a un patrón compañero llamado onda de densidad de pares. En este esquema, la onda magnética difracta a los pares electrónicos, creando un estado compañero espacialmente modulado que baja la energía del sistema y efectivamente profundiza la brecha superconductora. Regiones del cristal que ya albergan el estado helicoidal lo ven reforzado, mientras que otras regiones son impulsadas a la superconductividad exactamente a la temperatura en que se establece el orden electro-nuclear.

Qué significa esto para futuros materiales cuánticos

En conjunto, los experimentos ofrecen evidencia sólida de que YbRh2Si2 alberga superconductividad de paridad impar y spin-triplete cuya existencia y fortaleza están controladas por dos tipos entrelazados de orden antiferromagnético. Una de las fases superconductoras encaja con el perfil de un estado helicoidal topológico, un pariente cercano de fases estudiadas durante mucho tiempo en el helio-3 superfluido. Aunque la superconductividad es actualmente frágil y espacialmente no uniforme, el material ofrece una plataforma rara y sintonizable donde el magnetismo y el apareamiento topológico pueden estudiarse lado a lado, con la perspectiva de que un control mejorado de las muestras podría algún día convertirlo en un anfitrión práctico para estados cuánticos exóticos.

Cita: Levitin, L.V., Knapp, J., Knappová, P. et al. Evidence for odd-parity superconductivity underpinned by antiferromagnetism in heavy-fermion metal YbRh₂Si₂. Nat. Phys. 22, 713–719 (2026). https://doi.org/10.1038/s41567-026-03247-x

Palabras clave: superconductividad topológica, emparejamiento spin-triplete, metal de fermiones pesados, antiferromagnetismo, onda de densidad de pares