Hacia la teoría de la superconductividad en pnicturos y calcogenuros de hierro

Dibujo20160311 Materials characteristics of iron-based superconductors natrevmats201617-f1

Los pnicturos de hierro y los calcogenuros de hierro son materiales superconductores con alta temperatura crítica. Aún no tenemos una explicación teórica. Un interesante artículo en Nature Reviews Materials sugiere que la clave es la transición de Mott de aislante a metal. Además, apunta que la razón última es una correlación antiferromagnética entre los espines de parejas de electrones en interacción fuerte (no perturbativa). Esta transición de fase cuántica aún presenta muchos misterios y varios físicos teóricos están usando técnicas de teoría de cuerdas para entenderla.

El artículo, de acceso gratuito, es Qimiao Si, Rong Yu, Elihu Abrahams, “High-temperature superconductivity in iron pnictides and chalcogenides,” Nature Reviews Materials 16017 (11 Mar 2016), doi: 10.1038/natrevmats.2016.17.

Dibujo20160311 conventional vs unconventional superconductivity natrevmats201617-f0

La superconductividad fue descubierta en en metales por Heike Kamerlingh Onnes por 1911. La teoría del fenómeno fue publicada en 1957 por Bardeen, Cooper y Schrieffer (BCS). Los electrones interaccionan entre sí, formado los llamados pares de Cooper, gracias a la mediación de los fonones de la red cristalina. En el estado superconductor los pares de Cooper se comportan como bosones y se condensan (estado condensado de Bose–Einstein). En 1986 se descubrió que ciertos cupratos son superconductores a alta temperatura (el récord actual es Tc ~ 135 K, que se logró en 1993). Sabemos que no se describen con la teoría BCS, pero aún no tenemos una explicación teórica firme.

Dibujo20160311 Superconductivity in iron pnictides and chalcogenides natrevmats201617-f6

En 2008, se descubrió que ciertos pnicturos de hierro también son superconductores a alta temperatura (el récord es Tc ~ 56 K y se logró en 2009). Tampoco se explican con la teoría BCS, pero, a diferencia de los cupratos, se han realizado grandes progresos teóricos. El mecanismo que empareja los electrones en los pnicturos de hierro no está mediado por los fonones, sino por su interacción coulombiana. Estos materiales presentan un orden antiferromagnético. La interacción coulombiana es repulsiva, pero la correlación antiferromagnética entre los espines da lugar a una fuerza atractiva. Bajo ciertas condiciones ambas fuerzas se pueden compensar y se forman pares de electrones, diferentes de los pares de Cooper, pero que se comportan como bosones y pueden condensarse en una transición de fase hacia un estado superconductor.

Dibujo20160311 quantum criticallity in iron pnictides natrevmats201617-f5

Tanto en pnicturos de hierro como en calcogenuros de hierro se observa una transición de fase cuántica (un punto crítico cuántico). Sin importar el parámetro de control (w), sea la presión, el campo magnético o la composición química, se observa una transición entre un estado antiferromagnético (AFM) a otro paramagnético al cruzar el punto crítico cuántico magnético. En el estado AFM se observa la superconductividad por debajo de cierta temperatura crítica.

Quizás aún es pronto para afirmar que estamos en el camino correcto hay una explicación de la superconductividad de alta temperatura en pnicturos y calcogenuros de hierro. Con los cupratos hemos asistido a varias falsas alarmas en el pasado. Todo ello no quita que el nuevo artículo merezca una cuidada lectura de todos los interesados en estos asuntos.

 



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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 24 marzo, 2016
Categoría(s): ✓ Ciencia • Física • Nature • Noticias • Physics • Science
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