Los superconductores no convencionales son materiales que muestran una superconductividad que no se explica mediante la teoría BCS habitual o su extensión, la teoría de Eliashberg. El emparejamiento en superconductores no convencionales puede tener su origen en algún otro mecanismo distinto de la interacción electrón-fonón. [1] Alternativamente, un superconductor es no convencional si el parámetro de orden superconductor se transforma de acuerdo con una representación irreducible no trivial del grupo puntual o grupo espacial del sistema. [2] Por definición, los superconductores que rompen simetrías adicionales a la simetría U (1) se conocen como superconductores no convencionales. [3]
Las propiedades superconductoras de CeCu 2 Si 2 , un tipo de material fermiónico pesado , fueron reportadas en 1979 por Frank Steglich . [4] Durante mucho tiempo se creyó que CeCu 2 Si 2 era un superconductor de onda d singlete, pero desde mediados de la década de 2010, esta noción ha sido fuertemente cuestionada. [5] A principios de los años ochenta, se descubrieron muchos más superconductores fermiónicos pesados no convencionales , incluidos UBe 13 , [6] UPt 3 [7] y URu 2 Si 2 . [8] En cada uno de estos materiales, la naturaleza anisotrópica del emparejamiento fue implicada por la dependencia de la ley de potencia de la tasa de relajación de resonancia magnética nuclear (RMN) y la capacidad calorífica específica de la temperatura. La presencia de nodos en el espacio superconductor de UPt 3 se confirmó en 1986 a partir de la dependencia de la polarización de la atenuación ultrasónica. [9]
El primer superconductor triplete no convencional, el material orgánico (TMTSF) 2 PF 6 , fue descubierto por Denis Jerome, Klaus Bechgaard y colaboradores en 1980. [10] Los trabajos experimentales de los grupos de Paul Chaikin y Michael Naughton, así como el análisis teórico de sus datos por Andrei Lebed han confirmado firmemente la naturaleza no convencional del emparejamiento superconductor en materiales orgánicos (TMTSF) 2 X (X=PF 6 , ClO 4 , etc.). [11]
La superconductividad de onda d singlete de alta temperatura fue descubierta por J. G. Bednorz y K. A. Müller en 1986, quienes también descubrieron que el material de perovskita de cuprato a base de lantano LaBaCuO 4 desarrolla superconductividad a una temperatura crítica ( T c ) de aproximadamente 35 K (-238 grados Celsius ). Esto estaba muy por encima de la temperatura crítica más alta conocida en ese momento ( T c = 23 K), y por eso 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 mismo año (1986) se descubrió el LSCO (La 2− x Sr x CuO 4 ). 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 en alcanzar la superconductividad por encima del punto de ebullición del nitrógeno líquido ( 77 K). [12] 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 el óxido de bismuto, estroncio, calcio y cobre (BSCCO) con una Tc de hasta 107 K, [13] y el óxido de talio, bario, calcio y cobre (TBCCO) (T=talio) con una 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 improbable que los materiales de perovskita de cuprato alcancen la superconductividad a temperatura ambiente.
Por otra parte, se han descubierto otros superconductores no convencionales. Entre ellos se encuentran algunos que no son superconductores a altas temperaturas, como el rutenato de estroncio Sr 2 RuO 4 , pero que, al igual que los superconductores de alta temperatura, son no 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, se han descubierto superconductores que tienen valores inusualmente altos de T c pero que no son perovskitas de cuprato. Algunos de ellos pueden ser ejemplos extremos de superconductores convencionales (se sospecha que se trata del diboruro de magnesio , MgB 2 , con T c = 39 K). Otros podrían mostrar características más no convencionales.
En 2008 se descubrió una nueva clase que no incluye cobre ( superconductores oxipnictídeos en capas), por ejemplo LaOFeAs . [14] [15] [16] Un oxipnictídeo de samario parecía tener una Tc de aproximadamente 43 K, que era más alta que la predicha por la teoría BCS. [17] Las pruebas de hasta 45 T [18] [19] sugirieron que el campo crítico superior de LaFeAsO 0.89 F 0.11 estaba alrededor de 64 T. Algunos otros superconductores basados en hierro no contienen oxígeno.
A partir de 2009 [actualizar], el superconductor de temperatura más alta (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 retenido por un material de cuprato-perovskita, [20] posiblemente a 164 K bajo alta presión. [21]
También se han encontrado otros superconductores no convencionales que no se basan en la estructura de cuprato. [14] Algunos tienen valores inusualmente altos de temperatura crítica , T c , y por eso a veces también se les llama superconductores de alta temperatura.
En 2017, experimentos de microscopía y espectroscopía de efecto túnel de barrido en grafeno próximo al superconductor de ondas d dopado con electrones (no quiral) Pr 2− x Ce x CuO 4 (PCCO) revelaron evidencia de una densidad de estados superconductores no convencionales inducida en grafeno. [22] Las publicaciones de marzo de 2018 proporcionaron evidencia de propiedades superconductoras no convencionales de una bicapa de grafeno donde una capa estaba desplazada por un "ángulo mágico" de 1,1° con respecto a la otra. [23]
Si bien el mecanismo responsable de la superconductividad convencional está bien descrito por la teoría BCS [24] [25] , el mecanismo de la superconductividad no convencional aún es desconocido. Después de más de veinte años de intensa investigación, el origen de la superconductividad de alta temperatura aún no está claro, siendo uno de los principales problemas sin resolver de la física teórica de la materia condensada . Parece que, a diferencia de la superconductividad convencional impulsada por la atracción electrón-fonón , intervienen mecanismos electrónicos genuinos (como las correlaciones antiferromagnéticas). Además, el apareamiento de ondas d, en lugar de ondas s, es significativo.
Uno de los objetivos de muchas investigaciones es la superconductividad a temperatura ambiente . [26]
A pesar de las intensas investigaciones y de las numerosas pistas prometedoras, hasta ahora los científicos no han encontrado una explicación. Una de las razones es que los materiales en cuestión suelen ser cristales multicapa muy complejos (por ejemplo, BSCCO ), lo que dificulta la elaboración de modelos teóricos.
El tema más controvertido en la física de la materia condensada ha sido el mecanismo de la superconductividad de alta temperatura ( HTS). Ha habido dos teorías representativas sobre la HTS: (Véase 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. [27] Según esta teoría de acoplamiento débil, la función de onda de emparejamiento del HTS debería tener una simetría d x 2 − y 2 . Por lo tanto, si la simetría de la función de onda de emparejamiento es la simetría d o no es esencial para demostrar el mecanismo del HTS con respecto a la fluctuación de espín. Es decir, si el parámetro de orden del HTS (función de onda de emparejamiento) no tiene simetría d , entonces se puede descartar un mecanismo de emparejamiento relacionado con la fluctuación de 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 que consiste en un superconductor de tipo BCS (simetría s) puede mejorar la superconductividad por sí misma. [28] Al introducir una interacción de tunelización adicional entre cada capa, este modelo explicó con éxito la simetría anisotrópica del parámetro de orden en el HTS, así como el surgimiento del HTS. [ cita requerida ]
Para resolver este problema no resuelto, se han realizado numerosos experimentos como la espectroscopia de fotoelectrones, 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 requerida ] Esta situación turbia posiblemente se originó a partir de la naturaleza indirecta de la evidencia experimental, así como de problemas experimentales como la calidad de la muestra, la dispersión de impurezas, el maclado, etc.
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. [29] [30]
La simetría del parámetro de orden del HTS se ha estudiado en mediciones de resonancia magnética nuclear y, más recientemente, mediante fotoemisión con resolución angular y mediciones de la profundidad de penetración de microondas en un cristal de HTS. Las mediciones de RMN investigan el campo magnético local alrededor de un átomo y, por lo tanto, reflejan la susceptibilidad del material. Han sido de especial interés para los materiales de 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 desplazamiento 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 sondeando se alinean con el campo aplicado y crean un campo interno más grande. A medida que estos metales se vuelven superconductores, los electrones con espines dirigidos en direcciones opuestas se acoplan para formar estados singlete. En el HTS anisotrópico, tal vez las mediciones de RMN hayan encontrado que la tasa de relajación para el cobre depende de la dirección del campo magnético estático aplicado, y la tasa es mayor cuando el campo estático es paralelo a uno de los ejes en el plano de óxido de cobre. Si bien esta observación por parte de algún grupo respaldó 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 microondas está determinada por la densidad del superfluido responsable de apantallar el campo externo. En la teoría BCS de ondas 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 el espacio de energía como en el HTS de simetría d , el par de electrones se puede romper más fácilmente, la densidad del superfluido debería tener una dependencia de la temperatura más fuerte 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 del HTS. Al dispersar fotones de los electrones en el cristal, se pueden tomar muestras de los espectros de energía de los electrones. Debido a que la técnica es sensible al ángulo de los electrones emitidos, se puede determinar el espectro para diferentes vectores de onda en la superficie de Fermi. Sin embargo, dentro de la resolución de la espectroscopia de fotoemisión con resolución angular (ARPES), los investigadores no pudieron determinar si la brecha se vuelve cero o simplemente se vuelve muy pequeña. Además, ARPES es sensible solo a la magnitud y no al signo de la brecha, por lo que no pudo determinar si la brecha se vuelve negativa en algún punto. Esto significa que ARPES no puede determinar si el parámetro de orden del HTS tiene la simetría d o no.
Se diseñó un experimento inteligente para superar la situación confusa. Se diseñó un experimento basado en tunelación de pares y cuantificación de flujo en un anillo de tres granos de YBa2Cu3O7 ( YBCO ) para probar la simetría del parámetro de orden en YBCO. [31] Dicho anillo consta de tres cristales de YBCO con orientaciones específicas consistentes con la simetría de apareamiento de ondas d para dar lugar a un vórtice cuántico de medio entero generado espontáneamente en el punto de encuentro de los tricristales. Además, en este experimento de tricristales se tuvo en cuenta la posibilidad de que las interfaces de unión puedan estar en el límite limpio (sin defectos) o con un desorden máximo en zigzag. [31] En 1987, VB Geshkenbein, A. Larkin y A. Barone informaron sobre una propuesta de estudio de vórtices con medio cuanto de flujo magnético en superconductores de fermiones pesados en tres configuraciones policristalinas. [32]
En el primer experimento de simetría de emparejamiento de tricristales, [31] se observó claramente la magnetización espontánea de la mitad del cuanto de flujo en YBCO, 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 encontró que había una mezcla de simetría de onda s en YBCO dentro de aproximadamente el 3%. [33] Además, Tsuei, Kirtley et al. demostraron que había una simetría de parámetro de orden d x 2 - y 2 pura en el Tl 2 Ba 2 CuO 6 tetragonal . [34]
Los físicos informan ahora que organizar dos capas de grafeno de un átomo de espesor de modo que el patrón de sus átomos de carbono esté desplazado en un ángulo de 1,1º convierte al material en un superconductor.