La superconductividad es uno de los fenómenos cuánticos más llamativos de la materia condensada: por debajo de cierta temperatura, los electrones de un metal forman pares de Cooper, dejando una brecha en la densidad de estados que es su huella experimental. ¿Hasta qué punto puede reducirse el tamaño de un material sin que la superconductividad desaparezca?
Cuando un metal se reduce a unos pocos nanómetros, añadir un solo electrón cuesta una energía apreciable: el bloqueo de Coulomb, base de los transistores de un solo electrón, compite directamente con el apareamiento superconductor. Hemos visualizado esa competencia midiendo la densidad de estados de “islas” de plomo nanométricas crecidas sobre grafeno, un sistema desarrollado por el grupo del Prof. Brihuega (UAM), que demostró que estas islas inducen superconductividad en el grafeno.
Con un microscopio de efecto túnel a un grado por encima del cero absoluto medimos islas individuales de entre 5 y 40 nm. Las más grandes muestran espectros similares al plomo macroscópico; las más pequeñas exhiben brechas mayores y asimétricas, compatibles con la coexistencia de emparejamiento superconductor y repulsión de Coulomb. Para separar ambas contribuciones aplicamos un campo magnético de hasta 3 T, que rompe la superconductividad, pero deja intacta la energía de carga. Identificamos así un cruce de escalas en torno a un radio de 12 nm: por debajo, el bloqueo de Coulomb domina sobre el parámetro de orden Δ. En estas islas pequeñas, además, un pequeño potencial electrostático puede estabilizar un estado fundamental con un número impar de electrones, paridad prohibida en un superconductor macroscópico.
Para controlar la carga usamos la propia punta del microscopio como mando a distancia: pulsos de voltaje cargan y descargan las islas de forma reproducible, alternando paridad par e impar. El experimento ofrece una imagen concreta de cómo el bloqueo de Coulomb compite con la superconductividad a escala nanométrica y abre perspectivas para diseñar dispositivos superconductores y qubits basados en la paridad electrónica.
Pie de figura: (a) Una punta superconductora del microscopio túnel sondea una isla de plomo sobre grafeno. (c) Topografía de islas de plomo (alturas entre 5 y 15 nm). (b) Espectros en una isla grande (azul, ~40 nm de radio efectivo) y otra pequeña (naranja, ~22 nm): en la pequeña la brecha se abre por el coste de añadir un electrón. (d) Emparejamiento superconductor (azul) y energía de carga (verde) frente al radio efectivo; se cruzan en 12 nm. (e–f) Usando la propia punta como mando a distancia, pulsos de voltaje cargan la isla y desplazan los picos del espectro, recorriendo el diagrama carga–paridad.