Superconductor no convencional

Los superconductores no convencionales son materiales que exhiben superconductividad que no se explica mediante la teoría BCS habitual ni su extensión, la teoría de Eliashberg . El apareamiento en los superconductores no convencionales puede originarse a partir de algún mecanismo distinto a la interacción electrón-fonón. ^{[ 1 ]} Alternativamente, un superconductor es no convencional si el parámetro de orden superconductor se transforma según una representación irreducible no trivial del grupo puntual o del grupo espacial del sistema. ^{[ 2 ]} Por definición, los superconductores que rompen simetrías adicionales a la simetría U (1) se conocen como superconductores no convencionales. ^{[ 3 ]}

Las propiedades superconductoras del CeCu₂Si₂ _, un tipo de material de fermiones pesados , fueron reportadas en 1979 por Frank Steglich . ^{[ 4} _] Durante mucho tiempo se creyó que el CeCu₂Si₂ _{era un} superconductor de onda d singlete, pero desde mediados de la década de 2010, esta noción ha sido fuertemente cuestionada. ^{[ 5 ]} A principios de los años ochenta, se descubrieron muchos más superconductores ^de fermiones pesados ​​no convencionales, incluyendo _UBe₁₃ , ^{[ 6 ]} UPt₃ ^[ ₇ ^] y URu₂Si₂ _{. [} ⁸ ] ^En cada uno de estos materiales, la naturaleza anisotrópica del apareamiento se infirió por la dependencia de ley de potencias de la ^tasa de relajación de resonancia magnética nuclear (RMN) y la capacidad calorífica específica con la temperatura. La presencia de nodos en la brecha superconductora del UPt₃ _{fue confirmada en} ¹⁹⁸⁶ a partir de la dependencia de la atenuación ultrasónica con la polarización. ^{[ 9 ]}

El primer superconductor triplete no convencional, el material orgánico (TMTSF) ₂PF₆ _{, fue} descubierto por Denis Jerome , Klaus Bechgaard y colaboradores en 1980 (TMTSF = Tetrametiltetraselenafulvalenio, véase Fulvaleno ). ^{[ 10 ]} Los trabajos experimentales de los grupos de Paul Chaikin y Michael Naughton, así como el análisis teórico de sus datos por Andrei Lebed, han confirmado firmemente la naturaleza no convencional del apareamiento superconductor en los materiales orgánicos (TMTSF) _₂X (X=PF₆ _, ClO₄ _{, etc.).} ^{[ 11 ]}

_{La superconductividad de onda d singlete de} alta temperatura fue descubierta por J.G. Bednorz y K.A. Müller en 1986, quienes también descubrieron que el material de perovskita cuprato a base de lantano _LaBaCuO₄ desarrolla superconductividad a una temperatura crítica ( Tc ) de aproximadamente 35 K (-238 grados Celsius ). Esta temperatura estaba muy por encima de la temperatura crítica más alta conocida hasta entonces ( Tc = 23 _K ), por lo que la nueva familia de materiales se denominó superconductores de alta temperatura . Bednorz y Müller recibieron el Premio Nobel de Física por este descubrimiento en 1987. Desde entonces, se han sintetizado muchos otros superconductores de alta temperatura .  

El LSCO (La _{2− x} Sr _x CuO ₄ ) fue descubierto el mismo año (1986). Poco después, en enero de 1987, se descubrió el óxido de itrio, bario y cobre (YBCO) con una T _c de 90  K, el primer material en alcanzar la superconductividad por encima del punto de ebullición del nitrógeno líquido (77  K). ^{[ 12 ]} Esto fue muy significativo desde el punto de vista de las aplicaciones tecnológicas de la superconductividad porque el nitrógeno líquido es mucho menos costoso que el helio líquido , que es necesario para enfriar los superconductores convencionales hasta su temperatura crítica. En 1988 se descubrieron el óxido de bismuto, estroncio, calcio y cobre (BSCCO) con una T _c de hasta 107  K, ^{[ 13 ]} y el óxido de talio, bario, calcio y cobre (TBCCO) (T=talio) con una T _c de 125  K. La temperatura crítica récord actual es de aproximadamente T _c  = 133  K (−140  °C) a presión estándar, y se pueden alcanzar temperaturas críticas algo más elevadas a alta presión. Sin embargo, en la actualidad se considera improbable que los materiales de perovskita de cuprato alcancen la superconductividad a temperatura ambiente.

Por otro lado, se han descubierto otros superconductores no convencionales. Entre ellos se incluyen algunos que no presentan superconductividad a altas temperaturas, como el rutenato de estroncio Sr₂RuO₄ _, pero que, al igual que los superconductores de alta temperatura, son no convencionales en otros aspectos. (Por ejemplo, el origen de la fuerza atractiva que conduce a la formación de pares de Cooper _puede ser diferente al postulado en la teoría BCS ). Además, se han descubierto superconductores con valores inusualmente altos de T_{_c que no son perovskitas de cuprato. Algunos de ellos podrían ser ejemplos extremos de} superconductores convencionales (esto se sospecha del diboruro de magnesio , MgB₂ _, con T _{_c} = 39  K). Otros podrían presentar características más no convencionales.

En 2008 se descubrió una nueva clase que no incluye cobre ( superconductores de oxipnicturo en capas ), por ejemplo LaOFeAs. ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]} Un oxipnicturo de samario parecía tener una T _c de aproximadamente 43  K, que era más alta que la predicha por la teoría BCS. ^{[ 17 ]} Pruebas de hasta 45 T ^{[ 18 ] [ 19 ]} sugirieron que el campo crítico superior de LaFeAsO _0.89 F _0.11 es de alrededor de 64 T. Algunos otros superconductores basados ​​en hierro no contienen oxígeno.  

A partir de 2009, el superconductor de mayor temperatura (a presión ambiente) es el óxido de cobre, calcio y mercurio bario (HgBa ₂ Ca ₂ Cu ₃ O _x ), a 138  K y está sostenido por un material cuprato-perovskita, ^{[ 20 ]} posiblemente 164 K bajo alta presión. ^{[ 21 ]}

También se han encontrado otros superconductores no convencionales que no se basan en la estructura de cuprato. ^{[ 14 ]} Algunos tienen valores inusualmente altos de la temperatura crítica , T _c , y por lo tanto a veces también se les llama superconductores de alta temperatura.

Si bien el mecanismo responsable de la superconductividad convencional está bien descrito por la teoría BCS, ^{[ 24 ] [ 25 ]} el mecanismo de la superconductividad no convencional aún se desconoce. Después de más de veinte años de intensa investigación, el origen de la superconductividad de alta temperatura aún no está claro, siendo uno de los principales problemas sin resolver de la física teórica de la materia condensada . Parece que, a diferencia de la superconductividad convencional impulsada por la atracción electrón-fonón , intervienen mecanismos electrónicos genuinos (como las correlaciones antiferromagnéticas). Además, el apareamiento de onda d, en lugar del de onda s, es significativo.

Uno de los objetivos de muchas investigaciones es la superconductividad a temperatura ambiente . ^{[ 26 ]}

A pesar de las intensas investigaciones y las numerosas pistas prometedoras, los científicos aún no han encontrado una explicación. Una de las razones es que los materiales en cuestión suelen ser cristales multicapa muy complejos (por ejemplo, BSCCO ), lo que dificulta la elaboración de modelos teóricos.

El tema más controvertido en la física de la materia condensada ha sido el mecanismo de la superconductividad de alta temperatura _crítica (HTS). Existen dos teorías representativas sobre la HTS  : (Véase también la teoría del enlace de valencia resonante ).

La simetría del parámetro de orden de los superconductores de alta temperatura (HTS) se ha estudiado mediante mediciones de resonancia magnética nuclear (RMN) y, más recientemente, mediante fotoemisión resuelta angularmente y mediciones de la profundidad de penetración de microondas en un cristal HTS. Las mediciones de RMN sondean el campo magnético local alrededor de un átomo y, por lo tanto, reflejan la susceptibilidad del material. Han sido de especial interés para los materiales HTS, ya que muchos investigadores se han preguntado si las correlaciones de espín podrían desempeñar un papel en el mecanismo de los HTS.

Las mediciones de RMN de la frecuencia de resonancia en YBCO indicaron que los electrones en los superconductores de óxido de cobre están emparejados en estados singlete de espín . Esta indicación provino del comportamiento del desplazamiento de Knight , el desplazamiento de frecuencia que ocurre cuando el campo interno es diferente del campo aplicado: en un metal normal, los momentos magnéticos de los electrones de conducción en la vecindad del ion que se está analizando se alinean con el campo aplicado y crean un campo interno mayor. A medida que estos metales se vuelven superconductores, los electrones con espines dirigidos en direcciones opuestas se acoplan para formar estados singlete. En el HTS anisotrópico, quizás las mediciones de RMN hayan encontrado que la tasa de relajación para el cobre depende de la dirección del campo magnético estático aplicado, siendo la tasa mayor cuando el campo estático es paralelo a uno de los ejes en el plano del óxido de cobre. Si bien esta observación por parte de algunos grupos apoyó la simetría d del HTS, otros grupos no pudieron observarla.

Además, midiendo la profundidad de penetración , se puede estudiar la simetría del parámetro de orden del HTS. La profundidad de penetración de microondas está determinada por la densidad superfluida responsable del apantallamiento del campo externo. En la teoría BCS de onda s, debido a que los pares pueden excitarse térmicamente a través de la brecha Δ, el cambio en la densidad superfluida por unidad de cambio de temperatura sigue un comportamiento exponencial, exp(-Δ/ k _B T ). En ese caso, la profundidad de penetración también varía exponencialmente con la temperatura T . Si hay nodos en la brecha de energía, como en el HTS de simetría d , el par de electrones puede romperse más fácilmente, la densidad superfluida debería tener una dependencia de temperatura más fuerte, y se espera que la profundidad de penetración aumente como una potencia de T a bajas temperaturas. Si la simetría es específicamente d _{x ² - y ²} entonces la profundidad de penetración debería variar linealmente con T a bajas temperaturas. Esta técnica se está utilizando cada vez más para estudiar superconductores y su aplicación está limitada principalmente por la calidad de los monocristales disponibles.

La espectroscopia de fotoemisión también podría proporcionar información sobre la simetría de los HTS. Al dispersar fotones en los electrones del cristal, se pueden analizar los espectros de energía de estos. Dado que la técnica es sensible al ángulo de emisión de los electrones, permite determinar el espectro para diferentes vectores de onda en la superficie de Fermi. Sin embargo, dentro de la resolución de la espectroscopia de fotoemisión resuelta angularmente (ARPES), los investigadores no pueden determinar si la brecha tiende a cero o simplemente se reduce considerablemente. Además, la ARPES solo es sensible a la magnitud y no al signo de la brecha, por lo que no permite determinar si esta se vuelve negativa en algún punto. Esto significa que la ARPES no puede determinar si el parámetro de orden de los HTS presenta simetría d o no.

Se ideó un ingenioso diseño experimental para superar la compleja situación. Se diseñó un experimento basado en el efecto túnel de pares y la cuantización del flujo en un anillo de tres granos de YBa₂Cu₃O₇ ₍ YBCO ₎ para comprobar la simetría del parámetro de orden en YBCO. ^{[ 31 ]} _{Dicho anillo consta de tres cristales de YBCO con orientaciones específicas consistentes con la simetría de apareamiento de} onda d para generar espontáneamente un vórtice cuántico semientero en el punto de encuentro del tricristal. Además, en este experimento con tricristal se tuvo en cuenta la posibilidad de que las interfaces de unión se encuentren en el límite limpio (sin defectos) o con el máximo desorden en zigzag. ^{[ 31 ]} En 1987, VB Geshkenbein, A. Larkin y A. Barone propusieron estudiar vórtices con semicuantos de flujo magnético en superconductores de fermiones pesados ​​en tres configuraciones policristalinas. ^{[ 32 ]}

En el primer experimento de simetría de apareamiento de tricristales, ^{[ 31 ]} se observó claramente la magnetización espontánea de medio cuanto de flujo en YBCO, lo que apoyó de manera convincente la simetría de onda d del parámetro de orden en YBCO. Debido a que YBCO es ortorrómbico , podría tener inherentemente una mezcla de simetría de onda s. Así, al ajustar aún más su técnica, se encontró que había una mezcla de simetría de onda s en YBCO dentro de aproximadamente el 3%. ^{[ 33 ]} Además, Tsuei, Kirtley et al. demostraron que había una simetría de parámetro de orden d _{x ² - y ²} pura en el Tl ₂ Ba ₂ CuO ₆ tetragonal . ^{[ 34 ]}