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Superconductor a base de hierro

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

Los superconductores basados ​​en hierro ( FeSC ) son compuestos químicos que contienen hierro cuyas propiedades superconductoras se descubrieron en 2006. [2] [3] En 2008, liderados por los compuestos pnictidos de hierro recientemente descubiertos (originalmente conocidos como oxipnictidos ), estaban 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 capas conductoras de hierro y un pnictido ( elementos químicos del grupo 15 de la tabla periódica , aquí típicamente arsénico (As) y fósforo (P)) y parece ser prometedor como la próxima generación de superconductores de alta temperatura. [5]

Gran parte del interés se debe a que los nuevos compuestos son muy diferentes de los cupratos y pueden ayudar a conducir a una teoría de superconductividad no basada en la teoría BCS .

Más recientemente, se les ha llamado ferropnictidas . Las primeras encontradas 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 encontrado que algunos calcógenos de hierro son superconductores. [8] El β -FeSe sin dopar es el superconductor basado en hierro más simple pero con propiedades diversas. [9] Tiene una temperatura crítica ( T c ) de 8 K a presión normal y 36,7 K a alta presión [10] y por medio de intercalación. La combinación de intercalación y presión más alta da como resultado una superconductividad reemergente a T c de hasta 48 K (ver, [9] [11] y referencias allí). Un subconjunto de superconductores basados ​​en hierro con propiedades similares a las oxipnictidas, conocidos como arseniuros de hierro 122 , 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, apila capas de hierro y arsénico, 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 reemplazar el lantano en LaOFeAs con otros elementos de tierras raras como cerio , samario , neodimio y praseodimio conduce a superconductores que funcionan a 52 kelvin. [5]

Los superconductores de pnictido de hierro cristalizan en la estructura en capas [FeAs] alternando con un bloque espaciador o de reserva de carga. [ 12 ] Los compuestos pueden clasificarse así en el sistema "1111" RFeAsO (R: el elemento de tierras raras) que incluye LaFeAsO, [3] SmFeAsO, [14] PrFeAsO, [22] etc.; BaFe2As2 de tipo "122" , [ 23 ] SrFe2As2 [ 35] o CaFe2As2 ; [ 24] LiFeAs de 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]

Compuestos como Sr 2 ScFePO 3 descubiertos en 2009 se conocen como la 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 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 hierro-pnicturo. En consecuencia, Al-42622(As) tiene el ángulo de enlace As–Fe–As más pequeño (102,1°) y la mayor distancia As desde los planos 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 basados ​​en hierro informados con la estructura '32522' basada en perovskita. La temperatura de transición (T c ) es 30,2 K para Pn = As y 16,6 K para Pn = P. El surgimiento 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 T c en superconductores basados ​​en hierro. [18]

En 2009, se demostró que los pnictidos de hierro no dopados 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 complementado por la familia 122(Se) como diagrama de fases generalizado para los superconductores basados ​​en hierro. [42]

Diagramas de fases

De manera similar a los cupratos superconductores, las propiedades de los superconductores basados ​​en hierro cambian drásticamente con el dopaje. Los compuestos originales de FeSC son generalmente metales (a diferencia de los cupratos) pero, de manera similar a estos últimos, están ordenados de manera antiferromagnética , lo que a menudo se denomina onda de densidad de espín (SDW). La superconductividad (SC) surge con el dopaje de huecos o de 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 basados ​​en hierro para materiales Ln-1111 y Ba-122. Las fases que se muestran son la fase de onda de densidad de espín /antiferromagnética (AF/SDW) cercana al dopaje cero y la fase superconductora alrededor del dopaje óptimo. Los diagramas de fase de Ln-1111 para La [43] y Sm [44] [45] se determinaron utilizando espectroscopia de espín de muones , el diagrama de fase para Ce [46] se determinó utilizando difracción de neutrones . El diagrama de fase de Ba-122 se basa en. [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 tiene 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 posteriores revelaron que el ácido débil tiene la capacidad de desintercalar el exceso de Fe de los sitios de intercapa. 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 la banda electrónica : el máximo de 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]

Películas 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]

Véase también

Referencias

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