Un nuevo fenómeno permite estudiar el efecto Josephson a escala atómica con una precisión espacial sin precedentes. Este fenómeno permite trazar mapas de la densidad de pares de Cooper —las parejas de electrones responsables de la superconductividad— a escala atómica. El desarrollo soluciona un problema que limitaba el estudio del efecto Josephson por debajo del nanómetro. Gracias a un novedoso circuito de retroalimentación se reduce el ruido térmico y se incrementa la señal. El nuevo circuito se ha integrado en un sistema de microscopía de efecto túnel (STM), obteniendo nuevas imágenes de la densidad de pares de Cooper sin necesidad de señales externas y con mucha más precisión.
El trabajo está basado en un elemento de retroalimentación que genera un nuevo régimen dinámico consistente en una oscilación espontánea. Esta oscilación se produce a una frecuencia de algunos kHz, una frecuencia muy accesible para su observación con técnicas relativamente sencillas. Al mismo tiempo, se reduce notablemente la sensibilidad frente a la temperatura del efecto Josephson en sistemas de tamaño reducido.
Un reto técnico en la escala atómica
El efecto Josephson permite el paso de corriente sin voltaje entre dos superconductores separados por una barrera delgada. El premio Nobel de Física de 2025 se ha otorgado por trabajos que demuestran el túnel cuántico macroscópico en uniones Josephson. Gracias a los trabajos galardonados, el efecto Josephson es hoy el elemento más importante de la mayoría de los ordenadores cuánticos. Sin embargo, en uniones muy pequeñas, el efecto Josephson se vuelve especialmente sensible a perturbaciones, lo que dificulta la miniaturización. La corriente crítica disminuye notablemente y las fluctuaciones térmicas dominan la dinámica del paso de corriente entre los superconductores. En metales como plomo o aluminio, por ejemplo, estas fluctuaciones impiden obtener señales estables incluso a temperaturas criogénicas, debido a la baja energía de acoplamiento de las uniones Josephson de tamaño atómico.
Modificar el entorno electromagnético para amortiguar esas fluctuaciones es la solución que adoptaron los receptores del premio Nobel de Física de 2025. Sin embargo, esto resulta inviable en configuraciones STM. Frente a esta limitación, en el nuevo microscopio Josephson retroalimentado se plantea una nueva forma de estabilizar el sistema sin alterar físicamente la unión. Aunque las fluctuaciones térmicas siguen siendo importantes, el avance conseguido representa una ventaja clave para la exploración experimental de superconductores a escala atómica.
El diseño del microscopio: retroalimentación como herramienta
El componente diferencial de este microscopio es un circuito con retroalimentación electrónica retardada, integrado directamente en la etapa de amplificación de corriente del STM. Esta retroalimentación consiste en restar una señal de voltaje medida con cierto retardo respecto al presente, y reintegrarla en el circuito. El resultado es una modulación periódica del potencial efectivo que regula la dinámica de la fase en la unión Josephson.
Desde el punto de vista físico, la fase del sistema se comporta como una partícula en un potencial inclinado, que puede estabilizarse o deslizarse según la pendiente. La retroalimentación periódica altera esta pendiente de forma rítmica, inhibiendo el movimiento de la fase en ciertos momentos y permitiendo su evolución en otros. De este modo, el sistema entra en un nuevo régimen de oscilación espontánea sin necesidad de señales externas.
Un nuevo régimen dinámico: oscilaciones espontáneas
La incorporación de la retroalimentación produce un fenómeno inédito en uniones Josephson atómicas: el régimen biestable, caracterizado por transiciones periódicas entre dos estados distintos de conducción de pares de Cooper. Uno de estos estados se asemeja al efecto Josephson continuo (DC), sin voltaje; el otro recuerda al efecto alterno (AC), con presencia de voltaje. La alternancia entre ambos genera una señal oscilatoria que no requiere ningún estímulo externo y cuya frecuencia está determinada por la constante de tiempo del circuito.
Este comportamiento no solo amplía el rango de polarización en el que puede observarse una corriente estable, sino que además reduce drásticamente la sensibilidad a la temperatura. En nuestras mediciones, la corriente se mantiene prácticamente constante a pesar de variaciones térmicas, lo que contrasta con las configuraciones convencionales, donde la señal Josephson se degrada rápidamente al aumentar la temperatura.
Mapas atómicos con resolución sin precedentes
El microscopio retroalimentado permite obtener mapas espaciales de la corriente Josephson con resolución atómica, que a su vez se relaciona con la densidad de pares de Cooper. Aplicando este enfoque al superconductor 2H-NbSe₂, se detectaron modulaciones periódicas en la señal que corresponden a una variación periódica de la densidad de pares de Cooper.
Esta variación no es posible en un superconductor convencional según la teoría clásica de la superconductividad de Bardeen Cooper y Schrieffer. Se denomina “onda de densidad de pares (pair density wave, PDW)” y se observa en numerosos superconductores, como los cupratos, pnicturos y otros materiales en los que el origen de la superconductividad es desconocido. Su estudio es clave para entender mecanismos que permitirán en el futuro sintetizar superconductores con temperaturas críticas mucho más altas que las actuales. El nuevo microscopio da un empuje notable a estas investigaciones, al permitir visualizar variaciones espaciales de la densidad de pares de Cooper con un nivel de detalle sin precedentes.
Un instrumento para la nueva física cuántica
El régimen biestable identificado no solo ofrece ventajas prácticas, sino que también abre nuevas líneas de investigación en física fundamental. El hecho de que las oscilaciones surjan sin estimulación externa sugiere una dinámica interna del sistema que puede ser explotada para estudiar uniones Josephson con materiales exóticos, como superconductores topológicos o cadenas de átomos magnéticos.
En estos sistemas, donde el acoplamiento de pares puede implicar procesos de tunelado de orden superior o fases no convencionales, el nuevo microscopio permite obtener información dinámica, local y robusta sobre algunas propiedades cuánticas del sistema. Así, se posiciona como una herramienta esencial para el estudio de estados emergentes de la materia condensada.
Referencias
- D. Escribano, S., Barrena, V., Perconte, D., Moreno, J. A., Fernández Lomana, M., Águeda, M., … & Suderow, H. (2025). The feedback driven atomic scale Josephson microscope. Nature Communications, 16(1), 5843. doi: 10.1038/s41467-025-60569-9
