Superconductor a base de hierro

Los superconductores a base de hierro ( FeSC ) son compuestos químicos que contienen hierro cuyas propiedades superconductoras se descubrieron en 2006. ^{[ 2 ] [ 3 ]} El informe de LaOFeP de 2006 involucró una temperatura de transición baja, mientras que el compuesto LaFeAsO dopado con flúor de 2008 alcanzó los 26 K y estableció los oxipnicturos como el punto de partida para la familia de superconductores de pnicturos de hierro. ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 1 ]} Estos primeros compuestos superconductores pertenecían al grupo de los oxipnicturos , que se conocía desde 1995. ^{[ 4 ]} Sin embargo, hasta 2006, se encontraban en las primeras etapas de experimentación e implementación ^{[ 5 ]} y solo se conocían y patentaban las propiedades semiconductoras de estos compuestos. ^{[ 6 ]} Scientific American describió la investigación posterior de la siguiente manera:

El material cristalino, conocido químicamente como LaOFeAs, apila capas de hierro y arsénico, por donde fluyen los electrones, entre planos de lantano y oxígeno . Reemplazar hasta un 11 por ciento del oxígeno con flúor mejoró el compuesto: se volvió superconductor a 26 kelvin , según informa el equipo en la revista 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 da lugar a superconductores que funcionan a 52 kelvin. ^{[ 7 ]}

Anteriormente, la mayoría de los superconductores de alta temperatura eran cupratos que contenían capas de cobre - oxígeno . Gran parte del interés en los superconductores basados ​​en hierro se debe precisamente a las diferencias con los cupratos, lo que podría contribuir a una teoría de la superconductividad no BCS . ^{[ 7 ]}

Los superconductores a base de hierro del grupo de los oxipnicturos se denominaron inicialmente ferropnicturos . La estructura cristalina de estos compuestos muestra capas conductoras de hierro y un pnictógeno (típicamente arsénico (As) y fósforo (P)) separadas por un bloque de depósito de carga. ^{[ 8 ]} También se ha descubierto que algunos calcógenos y cristalógenos de hierro son superconductores. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

Los superconductores a base de hierro se clasifican según su estructura cristalina y fórmula química en las siguientes familias principales:

• Tipo 1111, con compuestos representativos LaFePO, ^{[ 2 ]} LaFeAsO, ^{[ 3 ]} SmFeAsO, ^{[ 11 ]} PrFeAsO, ^{[ 12 ] [ 13 ]} y LaFeSiH. ^{[ 14 ]}
• del tipo 111 como LiFeAs, ^{[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]} NaFeAs, ^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]} y LiFeP. ^{[ 21 ]}
• FeSe de tipo 11 ^{[ 22 ]}
• del tipo 122 como BaFe ₂ As ₂ , ^{[ 23 ]} SrFe ₂ As ₂ ^{[ 24 ]} y CaFe ₂ As ₂ ^{[ 25 ]}

La superconductividad se obtiene ya sea en las fases progenitoras de algunos de estos sistemas (por ejemplo, LaFePO, ^{[ 2 ]} LaFeSiH, ^{[ 14 ]} y LiFeAs ^{[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]} ) o mediante dopaje o presión aplicada. ^{[ 8 ] [ 26 ] [ 27 ]}

El β -FeSe sin dopar es el superconductor a base de hierro más simple, pero con propiedades distintivas. ^{[ 22 ]} Tiene una temperatura crítica ( T _c ) de 8 K a presión normal y de 36,7 K a alta presión ^{[ 28 ]} y mediante intercalación. La combinación de intercalación y mayor presión da como resultado una superconductividad reemergente a T _c de hasta 48 K (véase ^{[ 22 ] [ 29 ]} y referencias allí citadas).

En comparación con otras familias, la síntesis de los 122 compuestos es relativamente sencilla, lo que facilita la investigación de estos sistemas.

Los compuestos como Sr ₂ ScFePO ₃ descubiertos en 2009 se denominan familia '42622', como FePSr ₂ ScO ₃ . ^{[ 41 ]} 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 a alta presión. Al-42622(Pn) exhibe superconductividad para ambos Pn = As y 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 pnicturos de hierro. Correspondientemente, Al-42622(As) tiene el ángulo de enlace As–Fe–As más pequeño (102,1°) y la mayor distancia de As a los planos de Fe (1,5 Å). ^{[ 34 ]} 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 a base de hierro reportados 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. La aparición de la superconductividad se atribuye a la pequeña constante de red del eje a tetragonal 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 a base de hierro. ^{[ 33 ]}

En 2009, se demostró que los pnicturos de hierro no dopados tenían un punto crítico cuántico magnético derivado de la competencia entre la localización electrónica y la itinerancia. ^{[ 42 ]}

De forma similar a los cupratos superconductores, las propiedades de los superconductores basados ​​en hierro cambian drásticamente con el dopaje. Los compuestos precursores de FeSC suelen ser metales (a diferencia de los cupratos), pero, al igual que estos, presentan un ordenamiento antiferromagnético que a menudo se denomina onda de densidad de espín (SDW). Algunos compuestos precursores son superconductores. ^{[ 2 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]} En otros casos, la superconductividad surge al dopar con huecos o electrones. En general, el diagrama de fases es similar al de los cupratos. ^{[ 43 ]}

Las temperaturas de transición superconductora se enumeran en las tablas (algunas a alta presión). Se predice que BaFe _1.8 Co _0.2 As ₂ tendrá un campo crítico superior de 43 teslas a partir de la longitud de coherencia medida de 2,8 nm. ^{[ 36 ]}

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. ^{[ 49 ] [ 50 ]} Informes anteriores indicaron que el exceso de Fe es la causa del orden antiferromagnético bicolineal y no favorece la superconductividad. Investigaciones posteriores revelaron que un ácido débil tiene la capacidad de desintercalar el exceso de Fe de los sitios interlaminares. Por lo tanto, el recocido con ácido débil suprime la correlación antiferromagnética al desintercalar el exceso de Fe y, por consiguiente, se logra la superconductividad. ^{[ 51 ] [ 52 ]}

Existe una correlación empírica entre la temperatura de transición y la estructura de bandas electrónicas : el máximo de T _c se observa cuando parte de la superficie de Fermi permanece cerca de la transición topológica de Lifshitz . ^{[ 43 ]} Posteriormente se informó de una correlación similar para los cupratos de alta T _c, lo que indica una posible similitud de los mecanismos de superconductividad en estas dos familias de superconductores de alta temperatura . ^{[ 53 ]}