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122 arseniuro de hierro

Estructura cristalina de los superconductores AEFe2Pn2 de tipo 122 , AE = metal alcalinotérreo (Ca, Se, etc.), Pn = pnictida (As, P, etc.) [1]

Los superconductores no convencionales de arseniuro de hierro 122 forman parte de una nueva clase de superconductores basados ​​en hierro . Se forman en la estructura cristalina tetragonal I4 /mmm, tipo ThCr2Si2 . El nombre abreviado "122" proviene de su estequiometría ; los 122 tienen la fórmula química AEFe2Pn2 , donde AE ​​representa un metal alcalinotérreo (Ca, BaSr o Eu) y Pn es pnictida (As, P, etc.). [1] [2] [3] Estos materiales se vuelven superconductores bajo presión y también al doparse. [ 4] [5] [6] [7] La ​​temperatura máxima de transición superconductora encontrada hasta la fecha es de 38 K en el Ba0,6 K0,4 Fe2As2 . [ 8] La descripción microscópica de la superconductividad en los 122 aún no está clara. [9]

Descripción general

Desde el descubrimiento de la superconductividad de alta temperatura (alta Tc ) en los materiales de cuprato, los científicos han trabajado incansablemente para comprender los mecanismos microscópicos responsables de su surgimiento. Hasta el día de hoy, ninguna teoría puede explicar completamente la superconductividad de alta temperatura y el estado de apareamiento no convencional (no de ondas s) encontrado en estos materiales. [10] Sin embargo, el interés de la comunidad científica en comprender el pegamento de apareamiento para superconductores no convencionales (aquellos en los que el pegamento es electrónico, es decir, no se puede atribuir a las interacciones inducidas por fonones entre electrones responsables de la superconductividad de ondas s de la teoría BCS convencional ) se ha expandido recientemente por el descubrimiento de la superconductividad de alta temperatura (hasta Tc = 55 K) en los superconductores de oxipnictida dopada (1111) con la composición química XOFeAs, donde X = La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Tb o Dy. [11] [12] Los 122 contienen los mismos planos de arseniuro de hierro que los oxipnictidos, pero son mucho más fáciles de sintetizar en forma de grandes monocristales.

Hay dos formas diferentes de lograr la superconductividad en los 122s. Un método es la aplicación de presión a los compuestos originales sin dopar. [5] [6] El segundo es la introducción de otros elementos (dopantes) en la estructura cristalina en proporciones muy específicas. Hay dos esquemas de dopaje: El primer tipo de dopaje implica la introducción de huecos en las variedades de bario o estroncio ; el dopaje con huecos se refiere a la sustitución de un ion por otro con menos electrones. Se han reportado temperaturas de transición superconductoras tan altas como 38 K tras la sustitución del 40% de los iones Ba 2+ o Sr 2+ con K + . [8] El segundo método de dopaje es dopar directamente la capa de arseniuro de hierro reemplazando el hierro con cobalto. Se han observado temperaturas de transición superconductoras de hasta ~20 K en este caso. [13]

A diferencia de las oxipnictidas, los grandes cristales individuales de los 122s se pueden sintetizar fácilmente utilizando el método de flujo . [14] El comportamiento de estos materiales es interesante porque la superconductividad existe junto con el antiferromagnetismo . [9] Se han realizado varios estudios que incluyen resistividad eléctrica, susceptibilidad magnética , calor específico , [13] [15] RMN , [16] [ 17 ] [18] dispersión de neutrones, [2] [12] difracción de rayos X , espectroscopia Mössbauer , [19] y oscilaciones cuánticas [20] para los compuestos parentales no dopados, así como las versiones superconductoras.

Síntesis

Una de las cualidades importantes de los 122 es su facilidad de síntesis; es posible hacer crecer grandes cristales individuales, de hasta ~5×5×0,5 mm, utilizando el método de fundente . [14] En pocas palabras, el método de fundente utiliza algún disolvente en el que los materiales de partida para una reacción química pueden disolverse y eventualmente cristalizar en el compuesto deseado. En la literatura aparecen dos métodos estándar, cada uno utilizando un fundente diferente. El primer método emplea estaño, [14] mientras que el segundo utiliza el compuesto metálico binario FeAs (arseniuro de hierro). [21]

Transición de fase estructural y magnética

Los 122s se forman en la estructura tetragonal I4/mmm. Por ejemplo, la celda unitaria tetragonal de SrFe 2 As 2 , a temperatura ambiente, tiene parámetros de red a = b = 3,9243 Å y c = 12,3644 Å. [19] La geometría plana recuerda a los superconductores de cuprato de alta temperatura en los que se cree que las capas de Cu-O sustentan la superconductividad. [22]

Estos materiales experimentan una transición de fase estructural de primer orden hacia la estructura ortorrómbica Fmmm por debajo de una temperatura característica T 0 que es específica del compuesto. [3] [15] Los experimentos de RMN en el CaFe 2 As 2 [16] muestran que hay una transición de fase magnética antiferromagnética de primer orden a la misma temperatura; por el contrario, la transición antiferromagnética ocurre a una temperatura más baja en los 1111s. [15] El estado magnético de alta temperatura es paramagnético , mientras que el estado de baja temperatura es un estado antiferromagnético conocido como onda de densidad de espín . [16]

Superconductividad

Se ha observado superconductividad en los 122s hasta un máximo actual T c de 38 K en Ba 1−x K x Fe 2 As 2 con x ≈ 0,4. [19] Las mediciones de resistividad y susceptibilidad magnética han confirmado la naturaleza en masa de la transición superconductora observada. [19] El inicio de la superconductividad está correlacionado con la pérdida del estado de onda de densidad de espín. [9]

La Tc de 38 K en el superconductor Ba 1−x K x Fe 2 As 2 (x ≈ 0,4) muestra el efecto isotópico del hierro inverso. [23]

Otros compuestos con estructura 122

Además de los arseniuros de hierro, la estructura cristalina 122 también desempeña un papel importante en otros sistemas materiales. Tres ejemplos famosos en el campo de los fermiones pesados ​​son CeCu 2 Si 2 (el "primer superconductor no convencional " descubierto en 1978), [24] URu 2 Si 2 (que también es un superconductor de fermiones pesados ​​pero que es el foco de una activa investigación actual debido a la llamada "fase de orden oculto" por debajo de 17,5 K), [25] y YbRh 2 Si 2 (uno de los principales ejemplos de criticidad cuántica ). [26]

Referencias

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