Los superconductores de cuprato son una familia de materiales superconductores de alta temperatura compuestos por capas de óxidos de cobre (CuO 2 ) alternadas con capas de otros óxidos metálicos, que actúan como reservorios de carga. A presión ambiente, los superconductores de cuprato son los superconductores de temperatura más alta conocidos. Sin embargo, todavía no se comprende el mecanismo por el cual se produce la superconductividad .
El primer superconductor de cuprato fue descubierto en 1986 en el óxido de cobre de bario y lantano de cuprato no estequiométrico por los investigadores de IBM Georg Bednorz y Karl Alex Müller . La temperatura crítica para este material era de 35 K, muy por encima del récord anterior de 23 K. [1] El descubrimiento condujo a un marcado 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, solo 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 fases según la temperatura crítica en función del contenido de agujeros de oxígeno y de agujeros de cobre:
Los cupratos son materiales estratificados, que consisten en planos superconductores de óxido de cobre , separados por capas que contienen iones como lantano , bario , estroncio , que actúan como un reservorio de carga, dopando electrones o huecos en los planos de óxido de cobre. Por lo tanto, la estructura se describe como una superred de capas superconductoras de CuO 2 separadas por capas espaciadoras, lo que resulta en una estructura a menudo estrechamente relacionada con la estructura de perovskita . La superconductividad tiene lugar dentro de las láminas de óxido de cobre (CuO 2 ), con solo un acoplamiento débil entre planos de CuO 2 adyacentes , 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 de conducción y superconductividad normales, con una conductividad mucho mayor paralela al plano de CuO 2 que en la dirección perpendicular.
Las temperaturas superconductoras críticas 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 por los elementos que contienen y el número de capas de óxido de cobre adyacentes en cada bloque superconductor. Por ejemplo, YBCO y BSCCO se pueden denominar 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 "madre" no dopados son aislantes de Mott con un orden antiferromagnético de largo alcance a temperaturas suficientemente bajas. Los modelos de banda única se consideran generalmente suficientes para describir las propiedades electrónicas.
Los superconductores de cuprato suelen presentar óxidos de cobre en ambos estados de oxidación 3+ y 2+. Por ejemplo, YBa2Cu3O7 se describe como Y3 + (Ba2 + ) 2 ( Cu3 + )(Cu2 + ) 2 ( O2− ) 7 . Los iones de cobre 2+ y 3+ tienden a organizarse en un patrón de tablero de ajedrez, un fenómeno conocido como ordenamiento de carga . [ 8 ] Todos los cupratos superconductores son materiales en capas que tienen una estructura compleja descrita como una superred de capas superconductoras de CuO2 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 superfranjas 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 para 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 surge 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 los cupratos. Un trabajo reciente sobre la superficie de Fermi ha demostrado que el anidamiento 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 débiles efectos isotópicos 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 brindó respaldo a 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, estroncio y bismuto coincidía con las predicciones numéricas basadas en el superintercambio. [9] Pero hasta ahora 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 conductores 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 ).