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Superconductor a base de hierro

Estructura cristalina de LnFeAsOF, un compuesto de ferropnictida de tipo 1111. Ln = lantánido (La, Ce, Yb, Nd, Gd, Sm, etc.), Pn = pnictida (As, P, N, Bi, etc.) [1]

Los superconductores a base de hierro ( FeSC ) son compuestos químicos que contienen hierro cuyas propiedades superconductoras se descubrieron en 2006. [2] [3] En 2008, liderados por compuestos de hierro pnictida recientemente descubiertos (originalmente conocidos como oxipnictidas ), se encontraban en las primeras etapas. de experimentación e implementación. [4] (Anteriormente la mayoría de los superconductores de alta temperatura eran cupratos y se basaban en capas de cobre y oxígeno intercaladas entre otras sustancias (La, Ba, Hg)).

Este nuevo tipo de superconductores se basa en cambio en capas conductoras de hierro y pnictida ( elementos químicos del grupo 15 de la tabla periódica , aquí típicamente arsénico (As) y fósforo (P)) y parece prometedor como la próxima generación de superconductores de alta potencia. Superconductores de temperatura. [5]

Gran parte del interés se debe a que los nuevos compuestos son muy diferentes de los cupratos y pueden ayudar a desarrollar una teoría de superconductividad distinta de la teoría BCS .

Más recientemente se les ha llamado ferropnictidas . Los primeros encontrados pertenecen al grupo de las oxipnictidas . Algunos de los compuestos se conocen desde 1995, [6] y sus propiedades semiconductoras se conocen y patentan desde 2006. [7]

También se ha descubierto que algunos calcógenos del hierro son superconductores. [8] El β- FeSe sin dopar es el superconductor a base de hierro más simple pero con diversas propiedades. [9] Tiene una temperatura crítica ( T c ) de 8 K a presión normal, y de 36,7 K a alta presión [10] y mediante intercalación. La combinación de intercalación y presión más alta da como resultado una superconductividad reemergente en Tc de hasta 48 K (ver, [ 9] [11] y las referencias allí).

Un subconjunto de superconductores a base de hierro con propiedades similares a las oxipnictidas, conocidos como 122 arseniuros de hierro , atrajeron la atención en 2008 debido a su relativa facilidad de síntesis.

Las oxipnictidas como LaOFeAs a menudo se denominan pnictidas '1111'.

El material cristalino, conocido químicamente como LaOFeAs, acumula capas de hierro y arsénico, por donde fluyen los electrones, entre planos de lantano y oxígeno . Reemplazar hasta el 11 por ciento del oxígeno con flúor mejoró el compuesto: se volvió superconductor a 26 kelvin , informa el equipo en el Journal of the American Chemical Society del 19 de marzo de 2008. Investigaciones posteriores de otros grupos sugieren que la sustitución del lantano en LaOFeAs por otros elementos de tierras raras como cerio , samario , neodimio y praseodimio conduce a superconductores que funcionan a 52 kelvin. [5]

Los superconductores de pnictida de hierro cristalizan en la estructura en capas [FeAs] alternando con un espaciador o un bloque de depósito de carga. [12] Los compuestos pueden clasificarse así en el sistema "1111" RFeAsO (R: el elemento de tierras raras), incluido LaFeAsO, [3] SmFeAsO, [14] PrFeAsO, [22] etc.; "122" tipo BaFe 2 As 2 , [23] SrFe 2 As 2 [35] o CaFe 2 As 2 ; [24] LiFeAs tipo "111", [27] [28] [29] NaFeAs, [30] [31] [36] y LiFeP. [37] El dopaje o la presión aplicada transformarán los compuestos en superconductores. [12] [38] [39]

Los compuestos como Sr 2 ScFePO 3 descubiertos en 2009 se denominan familia '42622', como FePSr 2 ScO 3 . [40] Cabe destacar la síntesis de (Ca 4 Al 2 O 6−y )(Fe 2 Pn 2 ) (o Al-42622(Pn); Pn = As y P) utilizando la técnica de síntesis de alta presión. Al-42622 (Pn) exhibe superconductividad tanto para Pn = As como para P con temperaturas de transición de 28,3 K y 17,1 K, respectivamente. Los parámetros de la red a de Al-42622 (Pn) (a = 3,713 Å y 3,692 Å para Pn = As y P, respectivamente) son los más pequeños entre los superconductores de pnictida de hierro. En consecuencia, Al-42622 (As) tiene el ángulo de enlace As-Fe-As más pequeño (102,1 °) y la distancia de As más grande desde los planos de Fe (1,5 Å). [19] La técnica de alta presión también produce (Ca 3 Al 2 O 5−y )(Fe 2 Pn 2 ) (Pn = As y P), los primeros superconductores a base de hierro reportados con la estructura '32522' a base de perovskita. La temperatura de transición (Tc ) es 30,2 K para Pn = As y 16,6 K para Pn = P. La aparición de la superconductividad se atribuye a la pequeña constante de red tetragonal del eje a de estos materiales. A partir de estos resultados, se estableció una relación empírica entre la constante de red del eje a y Tc en superconductores a base de hierro. [18]

En 2009, se demostró que las pnictidas de hierro no dopadas tenían un punto crítico cuántico magnético derivado de la competencia entre la localización electrónica y la itinerancia. [41]

Diagrama de fases de la familia 122 de ferropnictidas complementada con la familia 122 (Se) como diagrama de fases generalizado para los superconductores a base de hierro. [42]

Diagramas de fase

De manera similar a los cupratos superconductores, las propiedades de los superconductores a base de hierro cambian drásticamente con el dopaje. Los compuestos originales de FeSC suelen ser metales (a diferencia de los cupratos) pero, al igual que los cupratos, están ordenados de forma antiferromagnética, lo que a menudo se denomina onda de densidad de espín (SDW). La superconductividad (SC) surge mediante dopaje por huecos o por electrones. En general, el diagrama de fases es similar al de los cupratos. [42]

Superconductividad a alta temperatura.

Diagramas de fases dependientes del dopaje simplificados de superconductores a base de hierro para materiales Ln-1111 y Ba-122. Las fases que se muestran son la fase antiferromagnética/ onda de densidad de espín (AF/SDW) cercana al dopaje cero y la fase superconductora alrededor del dopaje óptimo. Los diagramas de fases de Ln-1111 para La [43] y Sm [44] [45] se determinaron mediante espectroscopia de espín de muón , el diagrama de fases de Ce [46] se determinó mediante difracción de neutrones . Se basa en el diagrama de fases del Ba-122. [47]

Las temperaturas de transición superconductoras se enumeran en las tablas (algunas a alta presión). Se predice que BaFe 1,8 Co 0,2 As 2 tendrá un campo crítico superior de 43 teslas a partir de la longitud de coherencia medida de 2,8 nm. [21]

En 2011, científicos japoneses hicieron un descubrimiento que aumentó la superconductividad de un compuesto metálico al sumergir compuestos a base de hierro en bebidas alcohólicas calientes como el vino tinto. [48] ​​[49] Informes anteriores indicaron que el exceso de Fe es la causa del orden antiferromagnético bicolineal y no favorece la superconductividad. Investigaciones adicionales revelaron que el ácido débil tiene la capacidad de desintercalar el exceso de Fe de los sitios de las capas intermedias. Por lo tanto, el recocido con ácido débil suprime la correlación antiferromagnética al desintercalar el exceso de Fe y, por lo tanto, se logra la superconductividad. [50] [51]

Existe una correlación empírica de la temperatura de transición con la estructura de bandas electrónicas : el máximo Tc se observa cuando parte de la superficie de Fermi permanece cerca de la transición topológica de Lifshitz . [42] Posteriormente se informó una correlación similar para cupratos de alta Tc que indica una posible similitud de los mecanismos de superconductividad en estas dos familias de superconductores de alta temperatura . [52]

Peliculas delgadas

La temperatura crítica aumenta aún más en películas delgadas de calcogenuros de hierro sobre sustratos adecuados. En 2015, se observó una Tc de alrededor de 105-111 K en películas delgadas de seleniuro de hierro cultivadas sobre titanato de estroncio . [53]

Ver también

Referencias

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