Superconductor no convencional

Superconductores no convencionales son materiales que muestran una superconductividad que no se ajusta ni a la teoría BCS convencional ni a la teoría de Nikolay Bogolyubov o sus extensiones.

Historia

Las propiedades superconductoras de CeCu₂Si₂, un tipo de material pesado de fermiones, fueron informados en 1979 por Frank Steglich. Durante mucho tiempo se creyó que CeCu₂Si₂ era un superconductor de onda d singlete, pero desde mediados de la década de 2010, esta noción ha sido fuertemente cuestionada. A principios de los años ochenta, se descubrieron muchos más superconductores de fermiones pesados no convencionales, incluidos UBe₁₃, UPt3 y URu₂Si₂. En cada uno de estos materiales, la naturaleza anisotrópica del emparejamiento estuvo implicada por la dependencia de la ley de potencia de la tasa de relajación de la resonancia magnética nuclear (RMN) y la capacidad calorífica específica de la temperatura. La presencia de nodos en la brecha superconductora de UPt₃ se confirmó en 1986 a partir de la dependencia de polarización de la atenuación de ultrasonido.

El primer superconductor triplete no convencional, material orgánico (TMTSF)₂PF₆, fue descubierto por Denis Jerome, Klaus Bechgaard y colaboradores en 1980. Trabajos experimentales de Paul Chaikin& #39;s y los grupos de Michael Naughton, así como el análisis teórico de sus datos por parte de Andrei Lebed, han confirmado firmemente la naturaleza no convencional del emparejamiento superconductor en (TMTSF)₂X (X=PF₆, ClO₄, etc.) materiales orgánicos.

La superconductividad de onda d singlete de alta temperatura fue descubierta por J.G. Bednorz y K.A. Müller en 1986, quien también descubrió que el material de perovskita cuprato a base de lantano LaBaCuO₄ desarrolla superconductividad a una temperatura crítica (T_c) de aproximadamente 35 K (-238 grados centígrados). Esto estaba muy por encima de la temperatura crítica más alta conocida en ese momento (T_c = 23 K) y, por lo tanto, la nueva familia de materiales se denominó superconductores de alta temperatura. Bednorz y Müller recibieron el premio Nobel de Física por este descubrimiento en 1987. Desde entonces, se han sintetizado muchos otros superconductores de alta temperatura.

LSCO (La_2−xSr_xCuO₄) fue descubierto el mismo año (1986). Poco después, en enero de 1987, se descubrió que el óxido de itrio, bario y cobre (YBCO) tenía una T_c de 90 K, el primer material en alcanzar una superconductividad por encima del punto de ebullición de nitrógeno líquido (77 K). Esto fue muy significativo desde el punto de vista de las aplicaciones tecnológicas de la superconductividad debido a que el nitrógeno líquido es mucho menos costoso que el helio líquido, que se requiere para enfriar los superconductores convencionales hasta su temperatura crítica. En 1988, óxido de cobre, calcio, estroncio y bismuto (BSCCO) con T_c hasta 107 K, y óxido de cobre, calcio, bario y talio (TBCCO) (T = talio) con Se descubrieron T_c de 125 K. La temperatura crítica récord actual es de aproximadamente T_c = 133 K (−140 °C) a presión estándar, y se pueden alcanzar temperaturas críticas algo más altas a alta presión. Sin embargo, en la actualidad se considera poco probable que los materiales de cuprato perovskita alcancen la superconductividad a temperatura ambiente.

Por otro lado, se han descubierto otros superconductores no convencionales. Estos incluyen algunos que no son superconductores a altas temperaturas, como el rutenato de estroncio Sr2RuO4, pero que, como los superconductores de alta temperatura, son poco convencionales en otros aspectos. (Por ejemplo, el origen de la fuerza de atracción que conduce a la formación de pares de Cooper puede ser diferente del postulado en la teoría BCS). Además de esto, los superconductores que tienen valores inusualmente altos de T_c pero que no son cuprato se han descubierto perovskitas. Algunos de ellos pueden ser ejemplos extremos de superconductores convencionales (se sospecha del diboruro de magnesio, MgB₂, con T_c = 39 K). Otros podrían mostrar características menos convencionales.

En 2008, se descubrió una nueva clase que no incluye cobre (superconductores de oxipnictida en capas), por ejemplo, LaOFeAs. Un oxipnictido de samario parecía tener una T_c de aproximadamente 43 K, que era más alta de lo previsto por la teoría BCS. Las pruebas de hasta 45 T sugirieron que el campo crítico superior de LaFeAsO_0,89F_0,11 era de alrededor de 64 T. Algunos otros superconductores a base de hierro no contienen oxígeno.

A partir de 2009, el superconductor de mayor temperatura (a presión ambiental) es el óxido de mercurio, bario, calcio y cobre (HgBa₂Ca₂Cu₃O_x), a 138 K y está sostenido por un material cuprato-perovskita, posiblemente a 164 K a alta presión.

También se han encontrado otros superconductores no convencionales que no se basan en la estructura de cuprato. Algunos tienen valores inusualmente altos de la temperatura crítica, T_c y, por lo tanto, a veces también se les llama superconductores de alta temperatura.

Grafeno

En 2017, los experimentos de espectroscopia y microscopía de túnel de barrido en grafeno se acercaron al superconductor de onda d dopado con electrones (no quiral) Pr_2−x Ce_xCuO₄ (PCCO) reveló evidencia de una densidad superconductora no convencional de estados inducidos en el grafeno. Las publicaciones de marzo de 2018 proporcionaron evidencia de las propiedades superconductoras no convencionales de una bicapa de grafeno donde una capa estaba compensada por un 'ángulo mágico'. de 1,1° con respecto al otro.

Investigación en curso

Después de más de veinte años de intensa investigación, el origen de la superconductividad a alta temperatura aún no está claro, siendo uno de los principales problemas sin resolver de la física teórica de la materia condensada. Pero parece que en lugar de mecanismos de atracción electrón-fonón, como en la superconductividad convencional, están ocurriendo mecanismos electrónicos genuinos (por ejemplo, por correlaciones antiferromagnéticas). Además, en lugar del emparejamiento de ondas s, las ondas d son sustanciales.

Un objetivo de muchas investigaciones es la superconductividad a temperatura ambiente.

A pesar de la intensa investigación y muchas pistas prometedoras, hasta ahora los científicos no han encontrado una explicación. Una razón para esto es que los materiales en cuestión son generalmente cristales multicapa muy complejos (por ejemplo, BSCCO), lo que dificulta el modelado teórico.

Mecanismos posibles

El tema más controvertido en la física de la materia condensada ha sido el mecanismo de la superconductividad de alta T_c (HTS). Ha habido dos teorías representativas sobre el HTS: (Ver también Teoría del enlace de valencia resonante)

Teoría de enfriamiento

En primer lugar, se ha sugerido que el HTS emerge por la fluctuación del giro antiferromagnético en un sistema dopado. De acuerdo con esta teoría débil de coupling, la función de onda de emparejamiento del HTS debe tener un d_x²−Sí.² simetría. Así, si la simetría de la función de onda de emparejamiento es la d simetría o no es esencial para demostrar en el mecanismo del HTS respecto a la fluctuación de la columna. Es decir, si el parámetro de orden HTS (función de onda de pago) no tiene d simetría, entonces se puede descartar un mecanismo de emparejamiento relacionado con la fluctuación de la columna. El experimento de túnel (ver abajo) parece detectar d simetría en algunos HTS.

Modelo de acoplamiento Interlayer

En segundo lugar, existe el modelo de acoplamiento entre capas, según el cual una estructura con capas compuesta por superconductor tipo BCS (s simetría) puede mejorar la superconductividad por sí misma. Al introducir una interacción de túneles adicionales entre cada capa, este modelo explicó con éxito la simetría anisotrópica del parámetro de orden en el HTS así como la aparición del HTS.

Para resolver este problema no resuelto, se han realizado numerosos experimentos como espectroscopia de fotoelectrones, RMN, medición de calor específico, etc. Desafortunadamente, los resultados fueron ambiguos, donde algunos informes respaldaron la simetría d para el HTS pero otros respaldaron la simetría s. Esta situación turbia posiblemente se originó por la naturaleza indirecta de la evidencia experimental, así como por problemas experimentales como la calidad de la muestra, la dispersión de impurezas, el hermanamiento, etc.

Superintercambio

Resultados experimentales prometedores de varios investigadores en septiembre de 2022, incluidos Weijiong Chen, J.C. Séamus Davis y H. Eisiaki, revelaron que el superintercambio de electrones es posiblemente la razón más probable de la superconductividad a alta temperatura.

Estudios previos sobre la simetría del parámetro de orden HTS

La simetría del parámetro de orden HTS se ha estudiado en mediciones de resonancia magnética nuclear y, más recientemente, mediante fotoemisión resuelta en ángulo y mediciones de la profundidad de penetración de microondas en un cristal HTS. Las mediciones de RMN prueban el campo magnético local alrededor de un átomo y, por lo tanto, reflejan la susceptibilidad del material. Han sido de especial interés para los materiales HTS porque muchos investigadores se han preguntado si las correlaciones de espín podrían desempeñar un papel en el mecanismo del HTS.

Las mediciones de RMN de la frecuencia de resonancia en YBCO indicaron que los electrones en los superconductores de óxido de cobre están emparejados en estados de espín singlete. Esta indicación provino del comportamiento del cambio de Knight, el cambio de frecuencia que ocurre cuando el campo interno es diferente del campo aplicado: En un metal normal, los momentos magnéticos de los electrones de conducción en la vecindad del ion que se está probando se alinean con el campo aplicado y crear un campo interno más grande. A medida que estos metales se vuelven superconductores, los electrones con espines en direcciones opuestas se acoplan para formar estados singulete. En el HTS anisotrópico, quizás las mediciones de RMN hayan encontrado que la tasa de relajación del cobre depende de la dirección del campo magnético estático aplicado, siendo la tasa mayor cuando el campo estático es paralelo a uno de los ejes en el plano del óxido de cobre. Si bien esta observación de algún grupo apoyó la simetría d del HTS, otros grupos no pudieron observarla.

Además, midiendo la profundidad de penetración, se puede estudiar la simetría del parámetro de orden HTS. La profundidad de penetración de las microondas está determinada por la densidad del superfluido responsable de filtrar el campo externo. En la teoría BCS de onda s, debido a que los pares pueden excitarse térmicamente a través del espacio Δ, el cambio en la densidad del superfluido por unidad de cambio de temperatura tiene un comportamiento exponencial, exp(-Δ/k_B T). En ese caso, la profundidad de penetración también varía exponencialmente con la temperatura T. Si hay nodos en la brecha de energía como en el HTS de simetría d, el par de electrones se puede romper más fácilmente, la densidad del superfluido debería tener una mayor dependencia de la temperatura y se espera que la profundidad de penetración aumente a medida que aumenta la temperatura. potencia de T a bajas temperaturas. Si la simetría es especialmente d_x²-y² entonces la profundidad de penetración debe variar linealmente con T a bajas temperaturas. Esta técnica se usa cada vez más para estudiar superconductores y su aplicación está limitada en gran medida por la calidad de los monocristales disponibles.

La espectroscopia de fotoemisión también podría proporcionar información sobre la simetría HTS. Al dispersar los fotones de los electrones en el cristal, se pueden muestrear los espectros de energía de los electrones. Debido a que la técnica es sensible al ángulo de los electrones emitidos, se puede determinar el espectro para diferentes vectores de onda en la superficie de Fermi. Sin embargo, dentro de la resolución de la espectroscopia de fotoemisión resuelta en ángulo (ARPES), los investigadores no pudieron decir si la brecha llega a cero o simplemente se vuelve muy pequeña. Además, ARPES es sensible solo a la magnitud y no al signo de la brecha, por lo que no podría decir si la brecha se vuelve negativa en algún momento. Esto significa que ARPES no puede determinar si el parámetro de orden HTS tiene la simetría d o no.

Experimento de unión que respalda la simetría de onda d

Hubo un diseño experimental inteligente para superar la situación embarrada. Se diseñó un experimento basado en tunelización de pares y cuantificación de flujo en un anillo de tres granos de YBa₂Cu₃O₇ (YBCO) para probar la simetría del parámetro de orden en YBCO. Dicho anillo consta de tres cristales YBCO con orientaciones específicas consistentes con la simetría de emparejamiento de ondas d para dar lugar a un vórtice cuántico semientero generado espontáneamente en el punto de encuentro de los tricristales. Además, en este experimento con tricristales se tuvo en cuenta la posibilidad de que las interfaces de unión puedan estar en el límite limpio (sin defectos) o con el máximo desorden en zig-zag. VB Geshkenbein, A. Larkin y A. Barone informaron en 1987 sobre una propuesta de estudiar vórtices con la mitad de cuantos de flujo magnético en superconductores de fermiones pesados en tres configuraciones policristalinas en 1987.

En el primer experimento de simetría de emparejamiento de tricristales, se observó claramente la magnetización espontánea de la mitad del cuanto de flujo en YBCO, lo que respaldó de manera convincente la simetría d-wave del parámetro de orden en YBCO. Debido a que YBCO es ortorrómbico, podría tener inherentemente una mezcla de simetría de onda s. Entonces, al ajustar aún más su técnica, se encontró que había una mezcla de simetría de onda s en YBCO dentro de aproximadamente el 3%. Asimismo, fue demostrado por Tsuei, Kirtley et al. que había un puro d_x²-y² simetría de parámetros de orden en la tetragonal Tl₂Ba₂CuO₆.