Matías gobierna

En física , las reglas de Matthias se refieren a un conjunto histórico de directrices empíricas sobre cómo encontrar superconductores . Estas reglas fueron formuladas por Bernd T. Matthias, quien descubrió cientos de superconductores utilizando estos principios en las décadas de 1950 y 1960. Desde finales de la década de 1970, se han encontrado desviaciones de estas reglas con el descubrimiento de superconductores no convencionales .

La superconductividad fue descubierta por primera vez en mercurio sólido en 1911 por Heike Kamerlingh Onnes y Gilles Holst , quienes habían desarrollado nuevas técnicas para alcanzar temperaturas cercanas al cero absoluto . ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}

En las décadas siguientes, se descubrió la superconductividad en otros materiales; en 1913, en el plomo a 7 K; en la década de 1930, en el niobio a 10 K; y en 1941, en el nitruro de niobio a 16 K.

En 1933, Walther Meissner y Robert Ochsenfeld descubrieron que los superconductores expulsaban los campos magnéticos aplicados, un fenómeno que se conoce como el efecto Meissner .

Bernd T. Matthias y John Kenneth Hulm fueron alentados por Enrico Fermi a iniciar una investigación experimental sistemática en la década de 1950, buscando superconductores en diferentes elementos y compuestos. Por esta razón, desarrollaron una técnica basada en el efecto Meissner. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

En colaboración con Theodore H. Geballe , Matthias batió el récord en 1954 con el descubrimiento de la superconductividad en el niobio-estaño (Nb₃Sn ₎ , que tenía la temperatura de transición más alta conocida de aproximadamente 18 K. ^{[ 6 ] [ 5 ]} Posteriormente, Matthias intentaría obtener propiedades empíricas generales para encontrar aleaciones superconductoras. Ese mismo año publicó una primera versión de sus famosas directrices, que llegaron a conocerse como las "reglas de Matthias". ^{[ 5 ] [ 7 ]} En 1962, Matthias pudo demostrar que algunas desviaciones de sus reglas se debían a impurezas o defectos en los materiales. ^{[ 5 ]} Utilizando sus reglas, Matthias y sus colaboradores descubrieron en 1965 que el niobio-germanio (Nb₃Ge ₎ tenía una temperatura crítica récord superior a 20 K. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

Matthias publicó un primer esbozo de sus reglas en 1957. ^{[ 5 ] [ 10 ]} Una teoría microscópica exitosa de la superconductividad no llegaría hasta ese mismo año, con el desarrollo de la teoría BCS por John Bardeen , Leon Cooper y John Robert Schrieffer . ^{[ 11 ]}

Geballe y Matthias ganaron el Premio Oliver E. Buckley de Materia Condensada en 1970 por "sus investigaciones experimentales conjuntas sobre la superconductividad que desafiaron la comprensión teórica y abrieron la tecnología de los superconductores de alto campo". ^{[ 12 ]}

Una de las primeras desviaciones de las reglas de Matthias se encontró con el descubrimiento de la superconductividad en el sulfuro y los seleniuros de molibdeno . Matthias postuló un criterio adicional en 1976 en la Conferencia de Rochester sobre superconductividad para incluir estos materiales. ^{[ 13 ]}

Otra violación de las reglas de Matthias apareció en 1979, con el descubrimiento de superconductores de fermiones pesados ​​por Frank Steglich ^{[ 14 ]} donde se esperaba que el magnetismo desempeñara un papel, contrario a las reglas de Matthias. ^{[ 15 ]}

Matthias ostentó el récord del superconductor con la temperatura crítica más alta encontrada hasta que Georg Bednorz y K. Alex Müller descubrieron los superconductores de alta temperatura en 1986. ^{[ 5 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]}

Las reglas de Matthias son un conjunto de directrices para encontrar superconductores de baja temperatura, pero Matthias nunca las proporcionó en forma de lista.

Una versión resumida popular de estas reglas dice: ^{[ 19 ] [ 20 ] [ 15 ] [ 8 ]}

1. Una alta simetría es buena, pero la simetría cúbica es la mejor.
2. Una alta densidad de estados electrónicos es buena.
3. Manténgase alejado del oxígeno .
4. Manténgase alejado del magnetismo.
5. Manténgase alejado de los aislantes .
6. ¡ Manténgase alejado de los teóricos !

La regla 2 excluye los materiales cercanos a la transición metal-aislante, como los óxidos . La regla 4 excluye los materiales que se encuentran en proximidad al ferromagnetismo o al antiferromagnetismo . ^{[ 18 ]} La regla 6 no es una regla oficial y a menudo se añade para indicar escepticismo hacia las teorías de la época. ^{[ 15 ]}

Otros principios equivalentes, como los expuestos por Matthias, indican trabajar principalmente con metales de electrones d ; con un número promedio de electrones de valencia , preferiblemente impares (3, 5 y 7) y alta densidad electrónica o alta densidad de estado electrónico en el nivel de Fermi . ^{[ 18 ]}

En 1976, Mattias añadió el criterio de incluir "elementos que no reaccionan en absoluto con el molibdeno solo para formar compuestos superconductores con Mo ₃ S ₄ y Mo ₃ Se ₄ , S o Se " debido a desviaciones en los compuestos de molibdeno. ^{[ 15 ]}

Se ha argumentado que no todas las reglas de Matthias han demostrado ser completamente válidas. ^{[ 19 ]} En particular, las reglas no son válidas para los superconductores de alta temperatura ; se han sugerido reglas alternativas para estos materiales. ^{[ 18 ] [ 19 ]}