Los superconductores no convencionales son materiales que muestran una superconductividad que no se ajusta a la teoría BCS convencional o sus extensiones.
Frank Steglich informó en 1979 de las propiedades superconductoras del CeCu 2 Si 2 , un tipo de material fermónico pesado . [1] Durante mucho tiempo se creyó que CeCu 2 Si 2 era un superconductor singlete de onda D, pero desde mediados de la década de 2010, esta noción ha sido fuertemente cuestionada. [2] A principios de los años ochenta, se descubrieron muchos más superconductores de fermiones pesados y no convencionales, incluidos UBe 13 , [3] UPt 3 [4] y URu 2 Si 2 . [5] En cada uno de estos materiales, la naturaleza anisotrópica del emparejamiento estuvo implicada por la dependencia de la ley potencial 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 UPt 3 fue confirmada en 1986 a partir de la dependencia de la polarización de la atenuación del ultrasonido. [6]
El primer superconductor triplete no convencional, el material orgánico (TMTSF) 2 PF 6 , fue descubierto por Denis Jerome, Klaus Bechgaard y sus compañeros de trabajo en 1980. [7] Trabajos experimentales de los grupos de Paul Chaikin y Michael Naughton, así como análisis teóricos de sus datos. de Andrei Lebed han confirmado firmemente la naturaleza poco convencional del emparejamiento superconductor en (TMTSF) 2 X (X=PF 6 , ClO 4 , etc.) materiales orgánicos. [8]
La superconductividad de onda d singlete de alta temperatura fue descubierta por JG Bednorz y KA Müller en 1986, quienes también descubrieron que el material de perovskita cuprato a base de lantano LaBaCuO 4 desarrolla superconductividad a una temperatura crítica ( T c ) de aproximadamente 35 K (-238 grados Celsius ). Ésta estaba muy por encima de la temperatura crítica más alta conocida en ese momento ( Tc = 23 K), por lo que 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 .
El LSCO (La 2− x Sr x CuO 4 ) 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 Tc de 90 K, el primer material que alcanzó superconductividad por encima del punto de ebullición del nitrógeno líquido (77 K). [9] Esto fue muy significativo desde el punto de vista de las aplicaciones tecnológicas de la superconductividad porque 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 se descubrieron óxido de bismuto, estroncio, calcio y cobre (BSCCO) con Tc de hasta 107 K, [10] y óxido de talio, bario, calcio y cobre (TBCCO) (T = talio) con Tc de 125 K. La temperatura crítica récord actual es de aproximadamente Tc = 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 superconductividad a temperatura ambiente.
Por otra parte, se han descubierto otros superconductores no convencionales. Entre ellos se incluyen algunos que no se superconducen a altas temperaturas, como el rutenato de estroncio Sr 2 RuO 4 , pero que, al igual que 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 Tc pero que no son perovskitas de cuprato tienen sido descubierto. Algunos de ellos pueden ser ejemplos extremos de superconductores convencionales (se sospecha que es el diboruro de magnesio , MgB 2 , con Tc = 39 K). Otros podrían mostrar características menos convencionales.
En 2008 se descubrió una nueva clase que no incluye el cobre ( superconductores de oxipnictida en capas), por ejemplo, LaOFeAs. [11] [12] [13] Una oxipnictida de samario parecía tener una Tc de aproximadamente 43 K, que era más alta de lo predicho por la teoría BCS . [14] Las pruebas de hasta 45 T [15] [16] sugirieron que el campo crítico superior de LaFeAsO 0,89 F 0,11 rondaba los 64 T. Algunos otros superconductores a base de hierro no contienen oxígeno.
A partir de 2009 [actualizar], el superconductor de mayor temperatura (a presión ambiente) es el óxido de mercurio, bario, calcio y cobre (HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O x ), a 138 K y está sostenido por un material de cuprato-perovskita, [17] posiblemente 164 K. bajo alta presión. [18]
También se han encontrado otros superconductores no convencionales que no se basan en la estructura de cuprato. [11] Algunos tienen valores inusualmente altos de temperatura crítica , Tc , y por eso a veces también se les llama superconductores de alta temperatura.
En 2017, experimentos de espectroscopía y microscopía de efecto túnel de barrido en grafeno próximos al superconductor de onda d dopado con electrones (no quiral) Pr 2 − x Ce x CuO 4 (PCCO) revelaron evidencia de una densidad superconductora no convencional de estados inducidos en el grafeno. [19] Las publicaciones de marzo de 2018 proporcionaron evidencia de propiedades superconductoras no convencionales de una bicapa de grafeno donde una capa estaba compensada por un "ángulo mágico" de 1,1° con respecto a la otra. [20]
Después de más de veinte años de intensas investigaciones, 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 entre electrones y fonones , como ocurre en la superconductividad convencional, se están produciendo auténticos mecanismos electrónicos (por ejemplo, mediante correlaciones antiferromagnéticas). Además, en lugar del emparejamiento de ondas s, las ondas d son sustanciales.
Uno de los objetivos de muchas investigaciones es la superconductividad a temperatura ambiente . [21]
A pesar de una intensa investigación y muchas pistas prometedoras, hasta ahora los científicos no han encontrado una explicación. Una razón es que los materiales en cuestión son generalmente cristales multicapa muy complejos (por ejemplo, BSCCO ), lo que dificulta la modelización teórica.
El tema más controvertido en la física de la materia condensada ha sido el mecanismo de la superconductividad de alta Tc ( HTS). Ha habido dos teorías representativas sobre el HTS: (Ver también Teoría del enlace de valencia resonante )
En primer lugar, se ha sugerido que el HTS surge por fluctuación de espín antiferromagnético en un sistema dopado. [22] Según esta teoría del acoplamiento débil, la función de onda de emparejamiento del HTS debería tener una simetría d x 2 − y 2 . Por lo tanto, es esencial demostrar si la simetría de la función de onda de emparejamiento es la simetría d o no en el mecanismo del HTS con respecto a la fluctuación del espín. Es decir, si el parámetro de orden HTS (función de onda de emparejamiento) no tiene simetría d , entonces se puede descartar un mecanismo de emparejamiento relacionado con la fluctuación del espín. El experimento del túnel (ver más abajo) parece detectar simetría d en algunos HTS.
En segundo lugar, está el modelo de acoplamiento entre capas, según el cual una estructura en capas formada por un superconductor de tipo BCS (simetría s) puede mejorar la superconductividad por sí misma. [23] Al introducir una interacción de túnel adicional entre cada capa, este modelo explicó con éxito la simetría anisotrópica del parámetro de orden en el HTS, así como la aparición del HTS. [ cita necesaria ]
Para resolver este problema pendiente, se han realizado numerosos experimentos como espectroscopia fotoelectrónica, RMN, medición de calor específico, etc. Desafortunadamente, los resultados fueron ambiguos, donde algunos informes apoyaron la simetría d para el HTS pero otros apoyaron la simetría s. [ cita necesaria ] Esta situación turbia posiblemente se originó por la naturaleza indirecta de la evidencia experimental, así como por cuestiones experimentales como la calidad de la muestra, la dispersión de impurezas, el hermanamiento, etc.
Los resultados experimentales prometedores de varios investigadores en septiembre de 2022, incluidos Weijiong Chen, JC Séamus Davis y H. Eisiaki, revelaron que el superintercambio de electrones es posiblemente la razón más probable de la superconductividad a alta temperatura. [24] [25]
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 sondean el campo magnético local alrededor de un átomo y, por 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 desplazamiento 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 dirigidos de manera opuesta se acoplan para formar estados singlete. En el HTS anisotrópico, tal vez 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 proteger el campo externo. En la teoría BCS de la 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 en la 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 la simetría d HTS, 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 como una potencia de T a bajas temperaturas. Si la simetría es especialmente d x 2 - y 2 entonces la profundidad de penetración debería variar linealmente con T a bajas temperaturas. Esta técnica se utiliza 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 fotones de los electrones en el cristal, se pueden muestrear los espectros de energía de los electrones. Como la técnica es sensible al ángulo de los electrones emitidos, se puede determinar el espectro de diferentes vectores de onda en la superficie de Fermi. Sin embargo, dentro de la resolución de la espectroscopia de fotoemisión con resolución de ángulo (ARPES), los investigadores no pudieron decir si la brecha llega a cero o simplemente se vuelve muy pequeña. Además, los ARPES son sensibles sólo a la magnitud y no al signo de la brecha, por lo que no podrían decir si la brecha se vuelve negativa en algún momento. Esto significa que ARPES no puede determinar si el parámetro de orden HTS tiene simetría d o no.
Hubo un diseño experimental inteligente para superar la situación turbia. Se diseñó un experimento basado en túneles de pares y cuantificación de flujo en un anillo de tres granos de YBa 2 Cu 3 O 7 (YBCO) para probar la simetría del parámetro de orden en YBCO. [26] Tal anillo consta de tres cristales de YBCO con orientaciones específicas consistentes con la simetría de emparejamiento de la onda d para dar lugar a un vórtice cuántico semientero generado espontáneamente en el punto de encuentro del tricristal. Además, en este experimento tricristal 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. [26 ] En 1987, VB Geshkenbein, A. Larkin y A. Barone informaron sobre una propuesta de estudiar vórtices con semicuantos de flujo magnético en superconductores de fermiones pesados en tres configuraciones policristalinas.
En el primer experimento de simetría de emparejamiento de tricristales, [26] se observó claramente en YBCO la magnetización espontánea del cuanto de semiflujo, lo que apoyó de manera convincente la simetría de onda d 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 descubrió que había una mezcla de simetría de onda s en YBCO dentro de aproximadamente el 3%. [28] Además, fue demostrado por Tsuei, Kirtley et al. que había una simetría pura de parámetros de orden d x 2 - y 2 en el tetragonal Tl 2 Ba 2 CuO 6 . [29]
Los físicos ahora informan que disponer dos capas de grafeno de un átomo de espesor de modo que el patrón de sus átomos de carbono se desplace en un ángulo de 1,1º convierte al material en un superconductor.