Los superconductores de cuprato son una familia de materiales superconductores de alta temperatura hechos de capas de óxidos de cobre (CuO 2 ) que se alternan con capas de otros óxidos metálicos, que actúan como depósitos de carga. A presión ambiente, los superconductores de cuprato son los superconductores de temperatura más alta conocidos. Sin embargo, aún no se comprende el mecanismo por el cual se produce la superconductividad .
El primer superconductor de cuprato fue encontrado en 1986 en el cuprato no estequiométrico , lantano, bario, óxido de cobre, por los investigadores de IBM Georg Bednorz y Karl Alex Müller . La temperatura crítica para este material fue de 35 K, muy por encima del récord anterior de 23 K. [1] El descubrimiento provocó un fuerte aumento de la investigación sobre los cupratos, lo que dio lugar a miles de publicaciones entre 1986 y 2001. [2] Bednorz y Müller recibieron el Premio Nobel de Física en 1987, sólo un año después de su descubrimiento. [3]
A partir de 1986, se identificaron muchos superconductores de cuprato, que se pueden clasificar en tres grupos en un diagrama de fase: temperatura crítica versus contenido de orificios de oxígeno y contenido de orificios de cobre:
Los cupratos son materiales estratificados, formados por planos superconductores de óxido de cobre , separados por capas que contienen iones como lantano , bario , estroncio , que actúan como depósito de carga, dopando electrones o huecos en los planos de óxido de cobre. Así, la estructura se describe como una superred de capas superconductoras de CuO 2 separadas por capas espaciadoras, lo que da como resultado una estructura a menudo estrechamente relacionada con la estructura de la perovskita . La superconductividad tiene lugar dentro de las láminas de óxido de cobre (CuO 2 ), con un acoplamiento sólo débil entre los planos adyacentes de CuO 2 , lo que hace que las propiedades sean cercanas a las de un material bidimensional. Las corrientes eléctricas fluyen dentro de las láminas de CuO 2 , lo que resulta en una gran anisotropía en las propiedades conductoras y superconductoras normales, con una conductividad mucho mayor paralela al plano de CuO 2 que en la dirección perpendicular.
Las temperaturas críticas de los superconductores dependen de las composiciones químicas, las sustituciones de cationes y el contenido de oxígeno. Las fórmulas químicas de los materiales superconductores generalmente contienen números fraccionarios para describir el dopaje necesario para la superconductividad. Existen varias familias de superconductores de cuprato que se pueden clasificar según los elementos que contienen y el número de capas de óxido de cobre adyacentes en cada bloque superconductor. Por ejemplo, YBCO y BSCCO pueden denominarse alternativamente Y123 y Bi2201/Bi2212/Bi2223 dependiendo del número de capas en cada bloque superconductor ( n ). Se ha descubierto que la temperatura de transición superconductora alcanza su punto máximo en un valor de dopaje óptimo ( p = 0,16) y un número óptimo de capas en cada bloque superconductor, normalmente n = 3.
Los compuestos "padres" o "madres" no dopados son aislantes Mott con orden antiferromagnético de largo alcance a temperaturas suficientemente bajas. Generalmente se considera que los modelos de banda única son suficientes para describir las propiedades electrónicas.
Los superconductores de cuprato suelen presentar óxidos de cobre en los estados de oxidación 3+ y 2+. Por ejemplo, YBa 2 Cu 3 O 7 se describe como Y 3+ (Ba 2+ ) 2 (Cu 3+ )(Cu 2+ ) 2 (O 2− ) 7 . Los iones de cobre 2+ y 3+ tienden a organizarse en un patrón de tablero de ajedrez, un fenómeno conocido como ordenamiento de cargas . [8] Todos los cupratos superconductores son materiales en capas que tienen una estructura compleja descrita como una superred de capas superconductoras de CuO 2 separadas por capas espaciadoras, donde la tensión de desajuste entre diferentes capas y dopantes en los espaciadores induce una heterogeneidad compleja que en el escenario de las superrayas es intrínseca. para la superconductividad de alta temperatura.
La superconductividad en los cupratos se considera poco convencional y no se explica mediante la teoría BCS . Los posibles mecanismos de emparejamiento de la superconductividad del cuprato siguen siendo objeto de considerable debate y de nuevas investigaciones. Las similitudes entre el estado antiferromagnético de baja temperatura en materiales no dopados y el estado superconductor de baja temperatura que emerge tras el dopaje, principalmente el estado orbital d x 2 −y 2 de los iones Cu 2+ , sugieren que el acoplamiento electrón-fonón es menos relevante en cupratos. Trabajos recientes en la superficie de Fermi han demostrado que la anidación se produce en cuatro puntos de la zona antiferromagnética de Brillouin donde existen ondas de espín y que la brecha de energía superconductora es mayor en estos puntos. Los efectos isotópicos débiles observados para la mayoría de los cupratos contrastan con los superconductores convencionales que están bien descritos por la teoría BCS.
En 1987, Philip Anderson propuso que el superintercambio podría actuar como un mecanismo de emparejamiento de superconductores de alta temperatura. En 2016, físicos chinos encontraron una correlación entre la temperatura crítica de un cuprato y el tamaño de la brecha de transferencia de carga en ese cuprato, lo que respalda la hipótesis del superintercambio. Un estudio de 2022 encontró que la densidad variable de pares de Cooper reales en un superconductor de óxido de cobre, calcio, bismuto, estroncio coincidía con predicciones numéricas basadas en superintercambio. [9] Pero hasta el momento no hay consenso sobre el mecanismo, y la búsqueda de una explicación continúa.
Los superconductores BSCCO ya tienen aplicaciones a gran escala. Por ejemplo, se están utilizando decenas de kilómetros de cables superconductores BSCCO-2223 a 77 K en los cables de corriente del Gran Colisionador de Hadrones del CERN [10] (pero las bobinas de campo principales utilizan superconductores metálicos de temperatura más baja, principalmente basados en niobio). estaño ).