Los superconductores de alta temperatura tienen un estado sombra que ha perseguido a la física de la materia condensada durante décadas. Enfríe un material de cuprato y, antes de que se vuelva superconductor, pasa por una fase extraña en la que el material se comporta como un metal pero con algo que falta: una brecha en sus excitaciones de baja energía que no debería estar ahí. Esta fase de pseudogap se ha inferido, debatido y modelado durante treinta años, pero siempre de forma indirecta, porque los materiales reales son demasiado complejos para controlarlos.
Un equipo de Harvard ha reproducido ahora ese estado átomo por átomo. En Nature, los investigadores dirigidos por Markus Greiner presentan la primera caracterización experimental del metal de pseudogap en el modelo de Fermi-Hubbard, la descripción teórica minimalista de electrones que interactúan sobre una red que subyace a la física de los cupratos. Lo construyeron con átomos ultrafríos en una red óptica, un microscopio de gas cuántico que les permite colocar, obtener imágenes y manipular átomos individuales, y enfriaron el sistema lo suficiente como para observar cómo aparece el pseudogap.
El experimento
El modelo de Fermi-Hubbard describe electrones que saltan entre sitios de la red con una energía de interacción cuando dos ocupan el mismo sitio. Los aislantes de Mott dopados, el régimen relevante para los cupratos, han resistido el acceso experimental porque las temperaturas requeridas son extraordinariamente bajas. Un avance de 2025 en los simuladores criogénicos de átomos neutros dio al grupo de Harvard la reducción de la temperatura en un factor de varias veces que necesitaba.
El equipo utilizó mediciones termodinámicas y espectroscópicas en el simulador de átomos fríos. Al enfriar, la compresibilidad (con qué facilidad el sistema absorbe partículas) desarrolló un máximo a dopaje intermedio, un punto de inflexión en la ecuación de estado. El seguimiento de ese máximo a lo largo de las intensidades de interacción reveló una línea de anomalías termodinámicas que separa un metal subdopado de uno sobredopado a interacciones fuertes. Los espectros de modulación de la red en el régimen subdopado mostraron una pérdida de respuesta de baja energía, especialmente en las regiones antinodales de la zona de Brillouin, la firma de un pseudogap. A partir de esto construyeron un diagrama de fases del pseudogap en función de las interacciones y el dopaje.
Qué es el pseudogap
En un metal normal, los electrones de la superficie de Fermi pueden excitarse con energías arbitrariamente pequeñas. En la fase de pseudogap, esas excitaciones de baja energía están parcialmente suprimidas, una brecha que no llega a ser una brecha completa, de ahí el nombre. En los cupratos, el pseudogap se sitúa en el régimen de dopaje adyacente a la superconductividad de alta temperatura, y comprenderlo se ha considerado central para explicar por qué estos materiales superconducen a temperaturas que ninguna teoría convencional predice.
El modelo de Hubbard es la teoría mínima que captura esta física, y el simulador de átomos fríos ofrece ahora una ventana experimental directa a ella. Las mediciones confirman la existencia del metal de pseudogap en el modelo, caracterizan su ubicación en el diagrama de fases y sugieren conexiones con el orden de carga que podrán estudiarse en trabajos futuros.
La importancia
Este es un caso de simulación cuántica que cumple su promesa: usar un sistema cuántico controlable para responder preguntas sobre otro menos controlable. La plataforma de átomos fríos no puede replicar toda la complejidad de un cuprato; es un sistema modelo, no un material, pero ese es precisamente el punto. Al aislar el comportamiento del modelo de Hubbard, el experimento pone a prueba si el pseudogap es una característica del propio modelo y, por tanto, una pieza genuina del rompecabezas de los cupratos, o un artefacto de las complicaciones de los materiales reales.
Las comparaciones numéricas del equipo (Monte Carlo cuántico dinámico y diagonalización exacta en conglomerados pequeños) respaldan los resultados experimentales. El pseudogap aparece en el modelo, en el lugar correcto, con las firmas espectroscópicas correctas. Las siguientes preguntas ya son visibles: si el pseudogap se conecta con el orden de carga y si el mismo simulador puede empujarse al régimen donde emerge la propia superconductividad. El pseudogap, durante mucho tiempo una sombra, ahora tiene un rostro.
Traducido por Alessandra
Sources
- Kendrick, L.H., Kale, A., Gang, Y., Deters, A.D., Lebrat, M., Young, A.W., Greiner, M. “Pseudogap in a Fermi-Hubbard quantum simulator.” Nature (2026). DOI: 10.1038/s41586-026-10875-z
- Xu et al., Nature 642:909-915 (2025)