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Superconductividad de alta temperatura

Una muestra de óxido de bismuto, estroncio, calcio y cobre (BSCCO), que actualmente es uno de los superconductores de alta temperatura más prácticos. Cabe destacar que no contiene tierras raras . BSCCO es un superconductor de cuprato a base de bismuto y estroncio . Gracias a su mayor temperatura de funcionamiento, los cupratos se están convirtiendo en competidores de los superconductores más comunes basados ​​en niobio , así como de los superconductores de diboruro de magnesio .

Los superconductores de alta temperatura ( alta Tc o HTS ) se definen como materiales con una temperatura crítica (la temperatura por debajo de la cual el material se comporta como superconductor ) superior a 77 K (-196,2 °C; -321,1 °F), el punto de ebullición de nitrógeno líquido . [1] Son sólo de "alta temperatura" en comparación con los superconductores conocidos anteriormente, que funcionan a temperaturas aún más frías, cercanas al cero absoluto. Las "altas temperaturas" todavía están muy por debajo de la temperatura ambiente ( temperatura ambiente ) y, por lo tanto, requieren refrigeración. El primer descubrimiento de un superconductor de alta temperatura fue descubierto en 1986 por los investigadores de IBM Georg Bednorz y K. Alex Müller . [2] [3] Aunque la temperatura crítica es de alrededor de 35,1 K (−238,1 °C; −396,5 °F), Ching-Wu Chu modificó fácilmente este nuevo tipo de superconductor para fabricar el primer superconductor de alta temperatura con temperatura crítica. 93 K (-180,2 °C; -292,3 °F). [4] Bednorz y Müller recibieron el Premio Nobel de Física en 1987 "por su importante avance en el descubrimiento de la superconductividad en materiales cerámicos". [5] La mayoría de los materiales con alta Tc son superconductores de tipo II .

La principal ventaja de los superconductores de alta temperatura es que pueden enfriarse con nitrógeno líquido, [2] a diferencia de los superconductores conocidos anteriormente que requieren refrigerantes costosos y difíciles de manejar, principalmente helio líquido . Una segunda ventaja de los materiales de alta Tc es que conservan su superconductividad en campos magnéticos más altos que los materiales anteriores. Esto es importante a la hora de construir imanes superconductores , una aplicación principal de los materiales de alta Tc .

La mayoría de los superconductores de alta temperatura son materiales cerámicos , en lugar de los materiales metálicos conocidos hasta ahora. Los superconductores cerámicos son adecuados para algunos usos prácticos, pero aún presentan muchos problemas de fabricación. Por ejemplo, la mayoría de las cerámicas son quebradizas , lo que hace que la fabricación de cables con ellas sea muy problemática. [6] Sin embargo, superar estos inconvenientes es objeto de considerables investigaciones y se están realizando progresos. [7]

La clase principal de superconductores de alta temperatura son los óxidos de cobre combinados con otros metales, especialmente los óxidos de bario y cobre de tierras raras (REBCO), como el óxido de itrio, bario y cobre (YBCO). La segunda clase de superconductores de alta temperatura en la clasificación práctica son los compuestos a base de hierro . [8] [9] El diboruro de magnesio a veces se incluye en superconductores de alta temperatura: es relativamente sencillo de fabricar, pero sólo es superconductor por debajo de 39 K (-234,2 °C), lo que lo hace inadecuado para el enfriamiento con nitrógeno líquido. Algunos compuestos de superhidruro de presión extremadamente alta suelen clasificarse como superconductores de alta temperatura. De hecho, en esta investigación sobre gases a alta presión se pueden encontrar muchos artículos sobre superconductores de alta temperatura, que no son adecuados para aplicaciones prácticas. Se afirma que el actual poseedor del récord de Tc es el hidruro de azufre carbonoso , sin embargo, se ha cuestionado la superconductividad en estos compuestos [10] y el documento de descubrimiento se ha retractado debido a acusaciones creíbles de manipulación de datos. [11]

Historia

Cronología de los descubrimientos de superconductores. A la derecha se puede ver la temperatura del nitrógeno líquido, que normalmente separa los superconductores a altas temperaturas de los superconductores a bajas temperaturas. Los cupratos se muestran como diamantes azules y los superconductores a base de hierro como cuadrados amarillos. El diboruro de magnesio y otros superconductores BCS metálicos de baja temperatura o alta presión se muestran como referencia como círculos verdes.

La superconductividad fue descubierta por Kamerlingh Onnes en 1911, en un sólido metálico. Desde entonces, los investigadores han intentado observar la superconductividad a temperaturas crecientes [12] con el objetivo de encontrar un superconductor a temperatura ambiente . [13] A finales de la década de 1970, se observó superconductividad en varios compuestos metálicos (en particular , a base de Nb , como NbTi , Nb 3 Sn y Nb 3 Ge ) a temperaturas mucho más altas que las de los metales elementales y que incluso podrían exceder los 20 K (-253,2 °C).

En 1986, en el laboratorio de investigación de IBM cerca de Zúrich , Suiza, Bednorz y Müller buscaban superconductividad en una nueva clase de cerámicas : los óxidos de cobre o cupratos .

Bednorz encontró un óxido de cobre particular cuya resistencia caía a cero a una temperatura de alrededor de 35,1 K (-238 °C). [12] Sus resultados pronto fueron confirmados [14] por muchos grupos, en particular Paul Chu de la Universidad de Houston y Shoji Tanaka de la Universidad de Tokio . [15]

En 1987, Philip W. Anderson dio la primera descripción teórica de estos materiales, basada en la teoría del enlace de valencia resonante (RVB) , [16] pero aún hoy se está desarrollando una comprensión completa de estos materiales. Ahora se sabe que estos superconductores poseen un par de simetría de onda d [ se necesita aclaración ] . La primera propuesta de que la superconductividad de cuprato a alta temperatura implica el emparejamiento de ondas d fue realizada en 1987 por NE Bickers, Douglas James Scalapino y RT Scalettar, [17] seguida de tres teorías posteriores en 1988 por Masahiko Inui, Sebastian Doniach, Peter J. Hirschfeld. y Andrei E. Ruckenstein, [18] utilizando la teoría de la fluctuación de espín, y por Claudius Gros , Didier Poilblanc, Maurice T. Rice y FC. Zhang, [19] y Gabriel Kotliar y Jialin Liu identificaron el emparejamiento de ondas d como una consecuencia natural de la teoría RVB. [20] La confirmación de la naturaleza de la onda d de los superconductores de cuprato se realizó mediante una variedad de experimentos, incluida la observación directa de los nodos de la onda d en el espectro de excitación mediante espectroscopia de fotoemisión resuelta en ángulo (ARPES), la observación de un flujo medio entero en experimentos de construcción de túneles, e indirectamente de la dependencia de la temperatura de la profundidad de penetración, el calor específico y la conductividad térmica.

A partir de 2021, [21] el superconductor con la temperatura de transición más alta a presión ambiente es el cuprato de mercurio, bario y calcio, alrededor de 133 K (-140 °C). [22] Hay otros superconductores con temperaturas de transición más altas registradas, por ejemplo, superhidruro de lantano a 250 K (-23 °C), pero estos sólo ocurren a presiones muy altas. [23]

El origen de la superconductividad a altas temperaturas todavía no está claro, pero parece que en lugar de mecanismos de atracción electrón- fonón , como en la superconductividad convencional, se trata de mecanismos electrónicos genuinos (por ejemplo, mediante correlaciones antiferromagnéticas), y en lugar de mecanismos convencionales, puramente mecánicos. En el emparejamiento de ondas , se cree que están involucradas simetrías de emparejamiento más exóticas ( onda d en el caso de los cupratos; principalmente onda s extendida , pero ocasionalmente onda d , en el caso de los superconductores a base de hierro).

En 2014, científicos de la École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) [24] encontraron evidencia que demuestra que pueden ocurrir partículas fraccionarias en materiales magnéticos cuasi bidimensionales, lo que respalda la teoría de Anderson sobre la superconductividad de alta temperatura. [25]

Lista seleccionada de superconductores

Propiedades

La clase de superconductores de "alta temperatura" ha tenido muchas definiciones.

La etiqueta alta Tc debe reservarse para materiales con temperaturas críticas superiores al punto de ebullición del nitrógeno líquido . Sin embargo, varios materiales (incluidos los superconductores pnictida descubiertos originalmente y recientemente descubiertos) tienen temperaturas críticas inferiores a 77 K (-196,2 °C), pero, no obstante, en las publicaciones se los denomina comúnmente clase de alta Tc . [32] [33]

Una sustancia con una temperatura crítica superior al punto de ebullición del nitrógeno líquido, junto con un campo magnético crítico alto y una densidad de corriente crítica (por encima de la cual se destruye la superconductividad), beneficiaría enormemente las aplicaciones tecnológicas. En aplicaciones magnéticas, el campo magnético crítico alto puede resultar más valioso que la propia Tc alta . Algunos cupratos tienen un campo crítico superior de unos 100 tesla. Sin embargo, los materiales de cuprato son cerámicas quebradizas, costosas de fabricar y que no se convierten fácilmente en alambres u otras formas útiles. Además, los superconductores de alta temperatura no forman dominios superconductores grandes y continuos, sino grupos de microdominios dentro de los cuales se produce la superconductividad. Por tanto, no son adecuados para aplicaciones que requieren corrientes superconductoras reales, como los imanes para espectrómetros de resonancia magnética . [34] Para una solución a esto (polvos), consulte el cable HTS .

Ha habido un debate considerable sobre la coexistencia de la superconductividad de alta temperatura con el orden magnético en YBCO, [35] superconductores a base de hierro , varios rutenocupratos y otros superconductores exóticos, y continúa la búsqueda de otras familias de materiales. Los HTS son superconductores de tipo II , que permiten que los campos magnéticos penetren en su interior en unidades de flujo cuantificadas , lo que significa que se requieren campos magnéticos mucho más altos para suprimir la superconductividad. La estructura en capas también da una dependencia direccional a la respuesta del campo magnético.

Todos los superconductores de alta Tc conocidos son superconductores de tipo II. A diferencia de los superconductores de tipo I , que expulsan todos los campos magnéticos debido al efecto Meissner , los superconductores de tipo II permiten que los campos magnéticos penetren en su interior en unidades de flujo cuantificadas, creando "agujeros" o "tubos" de regiones metálicas normales en la masa superconductora llamada vórtices . En consecuencia, los superconductores de alta Tc pueden soportar campos magnéticos mucho más altos.

cupratos

Diagrama de fases de los superconductores de cuprato: se pueden dividir básicamente en cupratos dopados con electrones ( n ) y huecos ( p ), como ocurre con los modelos básicos que describen los semiconductores . Los dos superconductores de cuprato estándar, YBCO y BSCCO, están notablemente dopados con agujeros . [36]

Los cupratos son materiales estratificados que consisten en capas superconductoras de óxido de cobre , separadas por capas espaciadoras. Los cupratos generalmente tienen una estructura cercana a la de un material bidimensional. Sus propiedades superconductoras están determinadas por los electrones que se mueven dentro de capas de óxido de cobre (CuO 2 ) débilmente acopladas. Las capas vecinas contienen iones como lantano , bario , estroncio u otros átomos que actúan para estabilizar las estructuras y dopar electrones o agujeros en las capas de óxido de cobre. Los compuestos "padres" o "madres" no dopados son aislantes Mott con orden antiferromagnético de largo alcance a temperaturas suficientemente bajas. Generalmente se considera que los modelos de banda única son suficientes para describir las propiedades electrónicas.

Los superconductores de cuprato adoptan una estructura de perovskita. Los planos de óxido de cobre son redes de tablero de ajedrez con cuadrados de iones O 2− con un ion Cu 2+ en el centro de cada cuadrado. La celda unitaria se gira 45° desde estos cuadrados. Las fórmulas químicas de los materiales superconductores generalmente contienen números fraccionarios para describir el dopaje necesario para la superconductividad. Existen varias familias de superconductores de cuprato y se pueden clasificar según los elementos que contienen y el número de capas de óxido de cobre adyacentes en cada bloque superconductor. Por ejemplo, YBCO y BSCCO pueden denominarse alternativamente "Y123" y Bi2201/Bi2212/Bi2223 dependiendo del número de capas en cada bloque superconductor ( n ). Se ha descubierto que la temperatura de transición superconductora alcanza su punto máximo en un valor de dopaje óptimo ( p = 0,16) y un número óptimo de capas en cada bloque superconductor, normalmente n = 3.

Los posibles mecanismos de superconductividad en los cupratos siguen siendo objeto de considerable debate y de nuevas investigaciones. Se han identificado ciertos aspectos comunes a todos los materiales. Las similitudes entre el estado antiferromagnético de baja temperatura de los materiales no dopados y el estado superconductor que surge tras el dopaje, principalmente el estado orbital d x 2 −y 2 de los iones Cu 2+ , sugieren que las interacciones electrón-electrón son más significativas que las interacciones electrón-electrón. Interacciones de fonones en cupratos, lo que hace que la superconductividad sea poco convencional. Trabajos recientes en la superficie de Fermi han demostrado que la anidación se produce en cuatro puntos de la zona antiferromagnética de Brillouin donde existen ondas de espín y que la brecha de energía superconductora es mayor en estos puntos. Los efectos isotópicos débiles observados para la mayoría de los cupratos contrastan con los superconductores convencionales que están bien descritos por la teoría BCS.

Similitudes y diferencias en las propiedades de los cupratos dopados con huecos y dopados con electrones:

Fig. 1. La superficie de Fermi de BSCCO bicapa , calculada (izquierda) y medida por ARPES (derecha). El rectángulo discontinuo representa la primera zona de Brillouin .

La estructura electrónica de los cupratos superconductores es altamente anisotrópica (ver la estructura cristalina de YBCO o BSCCO ). Por lo tanto, la superficie de Fermi de HTSC está muy cerca de la superficie de Fermi del plano de CuO 2 dopado (o multiplanos, en el caso de cupratos multicapa) y puede presentarse en el espacio recíproco 2-D (o espacio de momento). de la red de CuO 2 . La superficie típica de Fermi dentro de la primera zona de CuO 2 Brillouin se muestra en la Fig. 1 (izquierda). Puede derivarse de los cálculos de la estructura de la banda o medirse mediante espectroscopia de fotoemisión resuelta en ángulo ( ARPES ). La figura 1 (derecha) muestra la superficie de Fermi de BSCCO medida por ARPES. En un amplio rango de concentración de portadores de carga (nivel de dopaje), en el que los HTSC dopados con agujeros son superconductores, la superficie de Fermi tiene forma de agujero (es decir, abierta, como se muestra en la Fig. 1). Esto da como resultado una anisotropía inherente en el plano de las propiedades electrónicas del HTSC. En 2018, la estructura tridimensional completa de la superficie de Fermi se derivó de ARPES de rayos X suaves. [37]

a base de hierro

Diagrama de fases para superconductores de alta temperatura basados ​​en hierro [38]

Los superconductores a base de hierro contienen capas de hierro y un pnictógeno  -como el arsénico o el fósforo-  o un calcógeno . Esta es actualmente la familia con la segunda temperatura crítica más alta, detrás de los cupratos. El interés en sus propiedades superconductoras comenzó en 2006 con el descubrimiento de la superconductividad en LaFePO a 4 K (−269,15 °C) [39] y ganó mucha mayor atención en 2008 después de que se descubriera que el material análogo LaFeAs(O,F) [40] superconducto a hasta 43 K (-230,2 ° C) bajo presión. [41] Las temperaturas críticas más altas en la familia de superconductores a base de hierro existen en películas delgadas de FeSe, [42] [43] [44] donde en 2014 se informó una temperatura crítica superior a 100 K (-173 °C). [45]

Desde los descubrimientos originales, han surgido varias familias de superconductores a base de hierro:

La mayoría de los superconductores a base de hierro no dopados muestran una transición de fase estructural tetragonal-ortorrómbica seguida a temperaturas más bajas por un ordenamiento magnético, similar a los superconductores de cuprato. [53] Sin embargo, son metales pobres en lugar de aislantes de Mott y tienen cinco bandas en la superficie de Fermi en lugar de una. [38] El diagrama de fases que emerge a medida que se dopan las capas de arseniuro de hierro es notablemente similar, con la fase superconductora cerca o superponiéndose a la fase magnética. Ya ha surgido una fuerte evidencia de que el valor de Tc varía con los ángulos de enlace As-Fe-As y muestra que el valor de Tc óptimo se obtiene con tetraedros de FeAs 4 no distorsionados . [54] La simetría de la función de onda de emparejamiento todavía se debate ampliamente, pero actualmente se prefiere un escenario de onda s extendida.

diboruro de magnesio

En ocasiones se hace referencia al diboruro de magnesio como superconductor de alta temperatura [55] porque su valor Tc de 39 K (-234,2 °C) está por encima del esperado históricamente para los superconductores BCS . Sin embargo, se lo considera más generalmente como el superconductor convencional de mayor Tc , ya que el aumento de Tc resulta de dos bandas separadas que están presentes en el nivel de Fermi .

A base de carbono

En 1991, Hebard et al. descubrió los superconductores Fulleride , [56] donde los átomos de metales alcalinos se intercalan en moléculas de C 60 .

En 2008 Ganin et al. demostró superconductividad a temperaturas de hasta 38 K (-235,2 ° C) para Cs 3 C 60 . [57]

En 2010 se propuso que el grafeno dopado con P fuera capaz de mantener la superconductividad a alta temperatura. [58]

El 31 de diciembre de 2023 se publicó "Superconductividad global a temperatura ambiente en grafito" en la revista "Advanced Quantum Technologies", afirmando demostrar la superconductividad a temperatura ambiente y presión ambiente en grafito pirolítico altamente orientado con densas matrices de defectos lineales casi paralelos. [59]

Nickelatos

En 1999, Anisimov et al. conjeturó superconductividad en niquelatos, proponiendo óxidos de níquel como análogos directos de los superconductores de cuprato. [60] La superconductividad en un niquelato de capa infinita, Nd 0,8 Sr 0,2 NiO 2 , se informó a finales de 2019 con una temperatura de transición superconductora entre 9 y 15 K (−264,15 y −258,15 °C). [61] [62] Esta fase superconductora se observa en películas delgadas con oxígeno reducido creadas por la deposición con láser pulsado de Nd 0,8 Sr 0,2 NiO 3 sobre sustratos de SrTiO 3 que luego se reduce a Nd 0,8 Sr 0,2 NiO 2 mediante el recocido de las películas delgadas. a 533–553 K (260–280 °C) en presencia de CaH 2 . [63] La fase superconductora solo se observa en la película reducida en oxígeno y no se ve en el material a granel reducido en oxígeno de la misma estequiometría, lo que sugiere que la tensión inducida por la reducción de oxígeno de la película delgada de Nd 0,8 Sr 0,2 NiO 2 cambia la fase. espacio para permitir la superconductividad. [64] Es importante además extraer el hidrógeno de acceso de la reducción con CaH 2 , de lo contrario el hidrógeno topotáctico puede impedir la superconductividad.[sesenta y cinco]

cupratos

La estructura de los cupratos , que son superconductores, a menudo está estrechamente relacionada con la estructura de la perovskita , y la estructura de estos compuestos se ha descrito como una estructura de perovskita multicapa distorsionada y deficiente en oxígeno. Una de las propiedades de la estructura cristalina de los superconductores de óxido es la alternancia de múltiples capas de planos de CuO 2 con superconductividad entre estas capas. Cuantas más capas de CuO 2 , mayor T c . Esta estructura provoca una gran anisotropía en las propiedades conductoras y superconductoras normales, ya que las corrientes eléctricas son transportadas por agujeros inducidos en los sitios de oxígeno de las láminas de CuO 2 . La conducción eléctrica es altamente anisótropa, con una conductividad mucho mayor paralela al plano de CuO 2 que en la dirección perpendicular. Generalmente, las temperaturas críticas dependen de las composiciones químicas, las sustituciones de cationes y el contenido de oxígeno. Se pueden clasificar como superrayas ; es decir, realizaciones particulares de superredes en el límite atómico hechas de capas atómicas superconductoras, cables y puntos separados por capas espaciadoras, lo que proporciona superconductividad multibanda y multiespacio.

Cuprato de itrio-bario

Celda unitaria para Cuprato de Bario e Itrio (YBCO)

Un cuprato de itrio-bario, YBa 2 Cu 3 O 7-x (o Y123), fue el primer superconductor encontrado por encima del punto de ebullición del nitrógeno líquido . Hay dos átomos de bario por cada átomo de itrio. Las proporciones de los tres metales diferentes en el superconductor YBa 2 Cu 3 O 7 están en una proporción molar de 1 a 2 a 3 para itrio, bario y cobre, respectivamente: este superconductor en particular también se ha denominado a menudo superconductor 123.

La celda unitaria de YBa 2 Cu 3 O 7 consta de tres celdas unitarias de perovskita, que es pseudocúbica, casi ortorrómbica . Los otros cupratos superconductores tienen otra estructura: tienen una celda tetragonal . Cada celda de perovskita contiene un átomo de Y o Ba en el centro: Ba en la celda unitaria inferior, Y en la del medio y Ba en la celda unitaria superior. Por tanto, Y y Ba se apilan en la secuencia [Ba–Y–Ba] a lo largo del eje c. Todos los sitios de las esquinas de la celda unitaria están ocupados por Cu, que tiene dos coordinaciones diferentes, Cu(1) y Cu(2), con respecto al oxígeno. Hay cuatro posibles sitios cristalográficos para el oxígeno: O(1), O(2), O(3) y O(4). [66] Los poliedros de coordinación de Y y Ba con respecto al oxígeno son diferentes. La triplicación de la celda unitaria de perovskita conduce a nueve átomos de oxígeno, mientras que YBa 2 Cu 3 O 7 tiene siete átomos de oxígeno y, por lo tanto, se denomina estructura de perovskita deficiente en oxígeno. La estructura tiene un apilamiento de diferentes capas: (CuO)(BaO)(CuO 2 )(Y)(CuO 2 )(BaO)(CuO). Una de las características clave de la celda unitaria de YBa 2 Cu 3 O 7−x (YBCO) es la presencia de dos capas de CuO 2 . La función del plano Y es servir como espaciador entre dos planos de CuO 2 . En YBCO, se sabe que las cadenas Cu-O desempeñan un papel importante en la superconductividad. T c es máxima cerca de 92 K (−181,2 ° C) cuando x  ≈ 0,15 y la estructura es ortorrómbica. La superconductividad desaparece en x  ≈ 0,6, donde se produce la transformación estructural de YBCO de ortorrómbico a tetragonal. [67]

Otros cupratos

Red cristalina de cuprato de bismuto y estroncio ( BSCCO )

La preparación de otros cupratos es más difícil que la preparación de YBCO. También tienen una estructura cristalina diferente: son tetragonales donde YBCO es ortorrómbico . Los problemas en estos superconductores surgen debido a la existencia de tres o más fases que tienen una estructura en capas similar. Además, la estructura cristalina de otros superconductores de cuprato probados es muy similar. [68] Al igual que YBCO, la característica de tipo perovskita y la presencia de capas simples de óxido de cobre (CuO 2 ) también existen en estos superconductores. Sin embargo, a diferencia del YBCO, las cadenas Cu-O no están presentes en estos superconductores. El superconductor YBCO tiene una estructura ortorrómbica, mientras que los otros superconductores de alta Tc tienen una estructura tetragonal.

Hay tres clases principales de cupratos superconductores: a base de bismuto, a base de talio y a base de mercurio.

El segundo cuprato por importancia práctica es actualmente el BSCCO , un compuesto de Bi–Sr–Ca–Cu–O . El contenido de bismuto y estroncio crea algunos problemas químicos. Tiene tres fases superconductoras formando una serie homóloga como Bi 2 Sr 2 Ca n −1 Cu n O 4+2 n + x ( n =1, 2 y 3). Estas tres fases son Bi-2201, Bi-2212 y Bi-2223, con temperaturas de transición de 20 K (−253,2 °C), 85 K (−188,2 °C) y 110 K (−163 °C), respectivamente, donde el sistema de numeración representa el número de átomos de Bi Sr, Ca y Cu respectivamente. [69] Las dos fases tienen una estructura tetragonal que consta de dos celdas unitarias cristalográficas cortadas. La celda unitaria de estas fases tiene planos dobles Bi-O que están apilados de manera que el átomo de Bi de un plano se ubica debajo del átomo de oxígeno del siguiente plano consecutivo. El átomo de Ca forma una capa dentro del interior de las capas de CuO 2 tanto en Bi-2212 como en Bi-2223; no hay capa de Ca en la fase Bi-2201. Las tres fases se diferencian entre sí por el número de planos de cuprato; Las fases Bi-2201, Bi-2212 y Bi-2223 tienen uno, dos y tres planos de CuO 2 , respectivamente. Las constantes de red del eje c de estas fases aumentan con el número de planos de cuprato (ver tabla a continuación). La coordinación del átomo de Cu es diferente en las tres fases. El átomo de Cu forma una coordinación octaédrica con respecto a los átomos de oxígeno en la fase 2201, mientras que en 2212, el átomo de Cu está rodeado por cinco átomos de oxígeno en una disposición piramidal. En la estructura 2223, el Cu tiene dos coordinaciones con respecto al oxígeno: un átomo de Cu está unido con cuatro átomos de oxígeno en una configuración plana cuadrada y otro átomo de Cu está coordinado con cinco átomos de oxígeno en una disposición piramidal. [70]

Cuprato de Tl-Ba-Ca: La primera serie del superconductor basado en Tl que contiene una capa de Tl-O tiene la fórmula general TlBa 2 Ca n −1 Cu n O 2 n +3 , [71] mientras que la segunda serie que contiene dos Las capas Tl-O tienen una fórmula de Tl 2 Ba 2 Ca n −1 Cu n O 2 n +4 con n  = 1, 2 y 3. En la estructura de Tl 2 Ba 2 CuO 6 (Tl-2201), hay una capa de CuO 2 con la secuencia de apilamiento (Tl–O) (Tl–O) (Ba–O) (Cu–O) (Ba–O) (Tl–O) (Tl–O). En Tl 2 Ba 2 CaCu 2 O 8 (Tl-2212), hay dos capas de Cu-O con una capa de Ca en el medio. De manera similar a la estructura de Tl 2 Ba 2 CuO 6 , las capas de Tl-O están presentes fuera de las capas de Ba-O. En Tl 2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 10 (Tl-2223), hay tres capas de CuO 2 que encierran capas de Ca entre cada una de ellas. En los superconductores basados ​​en Tl, se ha descubierto que la Tc aumenta con el aumento de las capas de CuO2 . Sin embargo , el valor de Tc disminuye después de cuatro capas de CuO 2 en TlBa 2 Ca n −1 Cu n O 2 n +3 , y en el compuesto Tl 2 Ba 2 Ca n −1 Cu n O 2 n +4 , disminuye después de tres capas de CuO 2 . [72]

Cuprato de Hg-Ba-Ca La estructura cristalina de HgBa 2 CuO 4 (Hg-1201), [73] HgBa 2 CaCu 2 O 6 (Hg-1212) y HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8 (Hg-1223) es similar al de Tl-1201, Tl-1212 y Tl-1223, con Hg en lugar de Tl. Es digno de mención que la Tc del compuesto de Hg (Hg-1201) que contiene una capa de CuO 2 es mucho mayor en comparación con el compuesto de talio de una sola capa de CuO 2 (Tl-1201). En el superconductor basado en Hg, la Tc también aumenta a medida que aumenta la capa de CuO2 . Para Hg-1201, Hg-1212 y Hg-1223, los valores de Tc son 94, 128 y el valor registrado a presión ambiente 134 K (−139 °C), [ 74] respectivamente, como se muestra en la siguiente tabla. La observación de que la Tc del Hg-1223 aumenta a 153 K (-120 °C) bajo alta presión indica que la Tc de este compuesto es muy sensible a la estructura del compuesto. [75]

Preparación y fabricación.

El método más sencillo para preparar superconductores cerámicos es una reacción termoquímica en estado sólido que implica mezcla, calcinación y sinterización . Las cantidades adecuadas de polvos precursores, normalmente óxidos y carbonatos, se mezclan minuciosamente utilizando un molino de bolas . Los procesos de química de soluciones, como la coprecipitación , la liofilización y los métodos sol-gel, son formas alternativas de preparar una mezcla homogénea. Estos polvos se calcinan en un rango de temperatura de 1.070 a 1.220 K (de 800 a 950 °C) durante varias horas. Los polvos se enfrían, se muelen y se calcinan nuevamente. Este proceso se repite varias veces hasta conseguir un material homogéneo. A continuación, los polvos se compactan formando gránulos y se sinterizan. El entorno de sinterización, como la temperatura, el tiempo de recocido, la atmósfera y la velocidad de enfriamiento, desempeñan un papel muy importante a la hora de obtener buenos materiales superconductores de alta Tc . El compuesto YBa 2 Cu 3 O 7− x se prepara mediante calcinación y sinterización de una mezcla homogénea de Y 2 O 3 , BaCO 3 y CuO en la proporción atómica adecuada. La calcinación se realiza a 1.070 a 1.220 K (800 a 950 °C), mientras que la sinterización se realiza a 1.220 K (950 °C) en una atmósfera de oxígeno. La estequiometría del oxígeno en este material es crucial para obtener un compuesto superconductor YBa 2 Cu 3 O 7− x . Durante la sinterización se forma el compuesto tetragonal semiconductor YBa 2 Cu 3 O 6 que, al enfriarse lentamente en una atmósfera de oxígeno, se convierte en YBa 2 Cu 3 O 7− x superconductor . La absorción y pérdida de oxígeno son reversibles en YBa 2 Cu 3 O 7 −x . Una muestra de YBa 2 Cu 3 O 7− x ortorrómbica completamente oxigenada se puede transformar en YBa 2 Cu 3 O 6 tetragonal calentándola al vacío a una temperatura superior a 973 K (700 °C). [67]

La preparación de superconductores de alta Tc basados ​​en Bi, Tl y Hg es más difícil que la preparación de YBCO. Los problemas en estos superconductores surgen debido a la existencia de tres o más fases que tienen una estructura en capas similar. Por lo tanto, durante la síntesis se producen intercrecimiento sintáctico y defectos como fallas de apilamiento y resulta difícil aislar una única fase superconductora. Para Bi–Sr–Ca–Cu–O, es relativamente sencillo preparar la fase de Bi-2212 ( T c  ≈ 85 K), mientras que es muy difícil preparar una sola fase de Bi-2223 ( T c  ≈ 110 K ). La fase Bi-2212 aparece solo después de unas pocas horas de sinterización a 1130-1140 K (860-870 °C), pero la fracción más grande de la fase Bi-2223 se forma después de un largo tiempo de reacción de más de una semana a 1140 K. (870°C). [70] Aunque se ha descubierto que la sustitución de Pb en el compuesto Bi-Sr-Ca-Cu-O promueve el crecimiento de la fase de alta Tc , [ 76] todavía se requiere un tiempo de sinterización prolongado.

La investigación en curso

La cuestión de cómo surge la superconductividad en los superconductores de alta temperatura es uno de los principales problemas sin resolver de la física teórica de la materia condensada . Se desconoce el mecanismo que hace que los electrones de estos cristales formen pares. 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.

La mejora de la calidad y variedad de las muestras también da lugar a una investigación considerable, tanto con el objetivo de mejorar la caracterización de las propiedades físicas de los compuestos existentes como con la síntesis de nuevos materiales, a menudo con la esperanza de aumentar la Tc . La investigación tecnológica se centra en fabricar materiales HTS en cantidades suficientes para que su uso sea económicamente viable [77] así como en optimizar sus propiedades en relación a las aplicaciones . [78] El hidrógeno metálico ha sido propuesto como superconductor a temperatura ambiente; algunas observaciones experimentales han detectado la aparición del efecto Meissner . [79] [80] LK-99 , plomo - apatito dopado con cobre , también se ha propuesto como superconductor a temperatura ambiente.

Modelos teóricos

Ha habido dos teorías representativas de la superconductividad de alta temperatura o no convencional . En primer lugar, la teoría del acoplamiento débil sugiere que la superconductividad surge de fluctuaciones de espín antiferromagnético en un sistema dopado. [81] Según esta teoría, la función de onda de emparejamiento del cuprato HTS debería tener una simetría d x 2 -y 2 . Por lo tanto, determinar si la función de onda de emparejamiento tiene simetría de onda d es esencial para probar el mecanismo de fluctuación del espín. Es decir, si el parámetro de orden HTS (una función de onda de emparejamiento como en la teoría de Ginzburg-Landau ) no tiene simetría de onda d , entonces se puede descartar un mecanismo de emparejamiento relacionado con las fluctuaciones de espín. (Se pueden hacer argumentos similares para los superconductores a base de hierro, pero las diferentes propiedades de los materiales permiten una simetría de emparejamiento diferente). En segundo lugar, estaba el modelo de acoplamiento entre capas , según el cual una estructura en capas que consta de superconductores de tipo BCS ( simetría de onda s ) puede mejorar la superconductividad por sí solo. [82] Al introducir una interacción de túnel adicional entre cada capa, este modelo explicó con éxito la simetría anisotrópica del parámetro de orden, así como la aparición del HTS. Así, para resolver este problema pendiente, se han realizado numerosos experimentos como espectroscopia de fotoemisión , RMN , mediciones de calor específico , etc. Hasta la fecha los resultados eran ambiguos, algunos informes apoyaban la simetría d para el HTS mientras que otros apoyaban la simetría s. simetría. 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.

Este resumen hace una suposición implícita : las propiedades superconductoras pueden tratarse mediante la teoría del campo medio . Tampoco se menciona que además de la brecha superconductora, existe una segunda brecha, la pseudogap . Las capas de cuprato son aislantes y los superconductores están dopados con impurezas entre capas para hacerlos metálicos. La temperatura de transición superconductora se puede maximizar variando la concentración de dopante . El ejemplo más simple es el La 2 CuO 4 , que consiste en capas alternas de CuO 2 y LaO que son aislantes cuando están puras. Cuando el 8% del La se reemplaza por Sr, este último actúa como dopante, aportando agujeros a las capas de CuO 2 y haciendo que la muestra sea metálica. Las impurezas de Sr también actúan como puentes electrónicos, permitiendo el acoplamiento entre capas. Partiendo de esta imagen, algunas teorías sostienen que la interacción de emparejamiento básica sigue siendo la interacción con fonones , como en los superconductores convencionales con pares de Cooper . Si bien los materiales no dopados son antiferromagnéticos, incluso un pequeño porcentaje de los dopantes con impurezas introducen un pseudoespacio más pequeño en los planos de CuO 2 que también es causado por fonones. La brecha disminuye al aumentar los portadores de carga y, a medida que se acerca a la brecha superconductora, esta última alcanza su máximo. Se argumenta entonces que la razón de la alta temperatura de transición se debe al comportamiento de percolación de los portadores: los portadores siguen trayectorias de percolación en zig-zag, en gran medida en dominios metálicos en los planos de CuO 2 , hasta que son bloqueados por las paredes del dominio de onda de densidad de carga , donde utilizan puentes dopantes para cruzar a un dominio metálico de un plano de CuO 2 adyacente . Los máximos de temperatura de transición se alcanzan cuando la red del huésped tiene fuerzas débiles de flexión de enlaces, que producen fuertes interacciones electrón-fonón en los dopantes de la capa intermedia. [83]

Simetría D en YBCO

Pequeño imán levitando sobre un superconductor de alta temperatura enfriado por nitrógeno líquido : este es un caso de efecto Meissner .

Se propuso un experimento basado en la cuantificación del flujo de un anillo de tres granos de YBa 2 Cu 3 O 7 (YBCO) para probar la simetría del parámetro de orden en el HTS. La simetría del parámetro de orden podría probarse mejor en la interfaz de unión cuando los pares de Cooper atraviesan una unión de Josephson o un enlace débil. [84] Se esperaba que un flujo medio entero, es decir, una magnetización espontánea, sólo pudiera ocurrir para una unión de superconductores de simetría d . Pero, incluso si el experimento de unión es el método más eficaz para determinar la simetría del parámetro de orden HTS, los resultados han sido ambiguos. John R. Kirtley y CC Tsuei pensaron que los resultados ambiguos procedían de los defectos dentro del HTS, por lo que diseñaron un experimento en el que se consideraban simultáneamente tanto el límite limpio (sin defectos) como el límite sucio (defectos máximos). [85] En el experimento, la magnetización espontánea se observó claramente en YBCO, lo que apoyó la simetría d del parámetro de orden en YBCO. Pero, dado que YBCO es ortorrómbico, podría tener inherentemente una mezcla de simetría s . Entonces, al perfeccionar aún más su técnica, descubrieron que había una mezcla de simetría s en YBCO en aproximadamente un 3%. [86] Además, encontraron que había una simetría pura de parámetro de orden d x 2 −y 2 en el tetragonal Tl 2 Ba 2 CuO 6 . [87]

Mecanismo de fluctuación de giro

A pesar de todos estos años, el mecanismo de la superconductividad de alta Tc sigue siendo muy controvertido, principalmente debido a la falta de cálculos teóricos exactos sobre sistemas de electrones que interactúan tan fuertemente . Sin embargo, los cálculos teóricos más rigurosos, incluidos los enfoques fenomenológicos y esquemáticos, convergen en las fluctuaciones magnéticas como mecanismo de emparejamiento de estos sistemas. La explicación cualitativa es la siguiente:

En un superconductor, el flujo de electrones no puede descomponerse en electrones individuales, sino que consta de muchos pares de electrones unidos, llamados pares de Cooper. En los superconductores convencionales, estos pares se forman cuando un electrón que se mueve a través del material distorsiona la red cristalina circundante, lo que a su vez atrae a otro electrón y forma un par unido. A esto a veces se le llama efecto "cama de agua". Cada par de Cooper requiere una cierta energía mínima para ser desplazado, y si las fluctuaciones térmicas en la red cristalina son menores que esta energía, el par puede fluir sin disipar energía. Esta capacidad de los electrones para fluir sin resistencia conduce a la superconductividad.

En un superconductor de alta Tc, el mecanismo es extremadamente similar al de un superconductor convencional, excepto que, en este caso, los fonones prácticamente no desempeñan ningún papel y su papel es reemplazado por ondas de densidad de espín . Así como todos los superconductores convencionales conocidos son fuertes sistemas de fonones, todos los superconductores conocidos de alta Tc son fuertes sistemas de ondas de densidad de espín, muy próximos a una transición magnética a, por ejemplo, un antiferroimán. Cuando un electrón se mueve en un superconductor de alta Tc , su espín crea una onda de densidad de espín a su alrededor. Esta onda de densidad de espín, a su vez, hace que un electrón cercano caiga en la depresión de espín creada por el primer electrón (nuevamente efecto de lecho de agua). Por tanto, nuevamente se forma un par de Cooper. Cuando la temperatura del sistema disminuye, se crean más ondas de densidad de espín y pares de Cooper, lo que eventualmente conduce a la superconductividad. Tenga en cuenta que en los sistemas de alta Tc , como estos sistemas son sistemas magnéticos debido a la interacción de Coulomb, existe una fuerte repulsión de Coulomb entre los electrones. Esta repulsión de Coulomb impide el emparejamiento de los pares de Cooper en el mismo sitio de la red. Como resultado, el emparejamiento de electrones se produce en sitios de red vecinos. Este es el llamado emparejamiento de onda d , donde el estado de emparejamiento tiene un nodo (cero) en el origen.

Ejemplos

Ejemplos de superconductores de cuprato de alta Tc incluyen YBCO y BSCCO , que son los materiales más conocidos que logran superconductividad por encima del punto de ebullición del nitrógeno líquido.

Ver también

Referencias

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