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Superconductor covalente

Partes de una celda de alta presión después de la síntesis de diamante superconductor altamente dopado con boro. El diamante (esfera negra) se encuentra entre dos calentadores de grafito.

Los superconductores covalentes son materiales superconductores en los que los átomos están unidos por enlaces covalentes . El primer material de este tipo fue el diamante sintético dopado con boro, obtenido mediante el método de alta presión y alta temperatura (HPHT). [1] El descubrimiento no tuvo importancia práctica, pero sorprendió a la mayoría de los científicos, ya que no se había observado superconductividad en semiconductores covalentes, incluidos el diamante y el silicio.

Historia

Susceptibilidad magnética de corriente alterna medida en función de la temperatura en diamantes enriquecidos con isótopos 12 C, 13 C, 10 B o 11 B. La observación y magnitud del desplazamiento 12 C- 13 C confirma el mecanismo BCS de superconductividad en diamantes dopados con boro policristalino en masa.

La prioridad de muchos descubrimientos en la ciencia es vigorosamente disputada (ver, por ejemplo, las controversias del Premio Nobel ). Otro ejemplo, después de que Sumio Iijima haya "descubierto" los nanotubos de carbono en 1991, muchos científicos han señalado que las nanofibras de carbono en realidad se observaron décadas antes . Lo mismo podría decirse de la superconductividad en semiconductores covalentes. La superconductividad en germanio y silicio-germanio se predijo teóricamente ya en la década de 1960. [2] [3] Poco después, la superconductividad se detectó experimentalmente en el telururo de germanio . [4] [5] En 1976, se observó superconductividad con T c = 3,5 K experimentalmente en germanio implantado con iones de cobre; [6] se demostró experimentalmente que la amorfización era esencial para la superconductividad (en Ge), y la superconductividad se asignó al propio Ge, no al cobre.

Diamante

La superconductividad en el diamante se logró mediante un dopaje pesado de tipo p con boro, de modo que los átomos dopantes individuales comenzaron a interactuar y formaron una "banda de impurezas". La superconductividad fue de tipo II con una temperatura crítica Tc = 4 K y un campo magnético crítico Bc = 4 T. Posteriormente, se logró una Tc ≈ 11 K en películas CVD homoepitaxiales. [7] [8]

Respecto al origen de la superconductividad en el diamante, se han sugerido tres teorías alternativas: la teoría BCS convencional basada en el emparejamiento mediado por fonones, la teoría de bandas de impurezas correlacionadas [9] y el emparejamiento impulsado por inversión de espín de huecos débilmente localizados en la proximidad del nivel de Fermi. [10] Los experimentos en diamantes enriquecidos con isótopos 12 C, 13 C, 10 B o 11 B revelaron un claro cambio de Tc , y su magnitud confirma el mecanismo BCS de superconductividad en el diamante policristalino en masa. [11]

Nanotubos de carbono

Si bien ha habido informes de superconductividad intrínseca en nanotubos de carbono , [12] [13] muchos otros experimentos no encontraron evidencia de superconductividad, y la validez de estos resultados sigue siendo un tema de debate. [14] Sin embargo, tenga en cuenta una diferencia crucial entre los nanotubos y el diamante: aunque los nanotubos contienen átomos de carbono unidos covalentemente, tienen propiedades más cercanas al grafito que el diamante, y pueden ser metálicos sin dopaje. Mientras tanto, el diamante sin dopar es un aislante.

Grafito intercalado

Estructura del CaC 6

Cuando se insertan átomos de metal (intercalados) entre los planos de grafito, se crean varios superconductores con las siguientes temperaturas de transición: [15] [16]

Silicio

Se sugirió [1] que "Si y Ge, que también se forman en la estructura del diamante, pueden exhibir de manera similar superconductividad bajo las condiciones apropiadas", y de hecho, los descubrimientos de superconductividad en Si fuertemente dopado con boro (Si:B) [17] y SiC:B [18] han seguido rápidamente. Al igual que el diamante, Si:B es un superconductor de tipo II , pero tiene valores mucho más pequeños de T c = 0,4 K y B c = 0,4 T. La superconductividad en Si:B se logró mediante un dopaje pesado (por encima del 8 % atómico), realizado a través de una técnica especial de no equilibrio de dopaje con láser de inmersión en gas .

Carburo de silicio

La superconductividad en SiC se logró mediante un dopaje pesado con boro [19] o aluminio. [20] Tanto la fase cúbica (3C-SiC) como la hexagonal (6H-SiC) son superconductoras y muestran una Tc muy similar de 1,5 K. Sin embargo, se observa una diferencia crucial para el comportamiento del campo magnético entre el dopaje con aluminio y boro: SiC:Al es de tipo II , lo mismo que Si:B. Por el contrario, SiC:B es de tipo I. En un intento por explicar esta diferencia, se observó que los sitios de Si son más importantes que los sitios de carbono para la superconductividad en SiC. Mientras que el boro sustituye al carbono en SiC, el Al sustituye a los sitios de Si. Por lo tanto, Al y B "ven" entornos diferentes que podrían explicar las diferentes propiedades de SiC:Al y SiC:B. [21]

Sulfuro de hidrógeno

A presiones superiores a 90 GPa ( gigapascal ), el sulfuro de hidrógeno se convierte en un conductor metálico de electricidad. Cuando se enfría por debajo de una temperatura crítica, su fase de alta presión exhibe superconductividad . La temperatura crítica aumenta con la presión, desde 23 K a 100 GPa hasta 150 K a 200 GPa. [22] Si el sulfuro de hidrógeno se presuriza a temperaturas más altas y luego se enfría, la temperatura crítica alcanza los 203 K (−70 °C), la temperatura crítica superconductora más alta aceptada a partir de 2015. Al sustituir una pequeña parte del azufre con fósforo y usar presiones aún más altas, se ha predicho que puede ser posible elevar la temperatura crítica por encima de los 0 °C (273 K) y lograr superconductividad a temperatura ambiente . [23]

Véase también

Referencias

  1. ^ ab EA Ekimov; VA Sidorov; ED Bauer; NN Mel'nik; NJ Curro; JD Thompson; SM Stishov (2004). "Superconductividad en el diamante". Nature . 428 (6982): 542–545. arXiv : cond-mat/0404156 . Código Bibliográfico :2004Natur.428..542E. doi :10.1038/nature02449. PMID  15057827. S2CID  4423950.
    L. Boeri, J. Kortus y OK Andersen "Superconductividad tridimensional de tipo MgB2 en diamantes dopados con agujeros",
    K.-W. Lee y WE Pickett "Superconductividad en diamantes dopados con boro" [ enlace muerto permanente ] ,
    X. Blase, Ch. Adessi y D. Connetable "El papel del dopante en la superconductividad del diamante" [ enlace muerto permanente ] ,
    E. Bustarret et al. "Dependencia de la temperatura de transición superconductora del nivel de dopaje en películas de diamante monocristalino" [ enlace muerto permanente ] – descarga gratuita
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