El secreto de la superconductividad de alta temperatura cada día más próximo

dibujo20090214contourplotas-asandfe-ashybridationinpnictides23 años desde su descubrimiento, 22 desde que recibió el Nobel, y la superconductividad de alta temperatura sigue siendo un misterio. La teoría convencional (BCS) no funciona en los cupratos (compuestos que contienen óxido de cobre). El año pasado se descubrió una nueva familia de superconductores de alta (aunque no tan alta) temperatura basados en hierro en lugar de cobre, los “pníctidos.” ¿En qué se parecen los pníctidos y los cupratos? ¿Ayudará a resolver el misterio conocer sus semejanzas y diferencias? La mayoría de los físicos cree que así será. Nos lo cuenta Jan Zaanen, “Condensed-matter physics: The pnictide code,” Nature 457: 546-547, 29 January 2009 .

La teoría BCS (de Bardeen-Cooper-Schrieffer), propuesta en 1957, permitía entender la superconductividad hasta que en 1986 se descubrió en los cupratos. ¿Por qué estos superconductores alcanzan temperaturas de hasta 150º Kelvin? La clave es entender ¿qué le pasa a un gas de electrones en dichos materiales? El estado normal (no superconductor) de la materia ordinaria es extremadamente simple: un líquido de Fermi en el que los electrones interactúan fuertemente entre sí. La teoría BCS nos dice que a temperaturas muy bajas la mecánica cuántica de las vibraciones de la red del metal (fonones) generan una fuerza atractiva entre los electrones (en realidad cuasielectrones ya que sus propiedades están apantalladas por la estructura cristalina y son diferentes a las de un electrón libre en el vacío) provocando que se unan en parejas (pares de Cooper). Estas parejas son bosones y se comportan como un gas de Bose-Einstein que se condensa a muy baja temperatura en un estado superconductor.

La química-física de los cupratos es mucho más compleja. Metafóricamente, los electrones en los cupratos se comportan como una versión cuántica de una carretera con tráfico rodado muy denso. Las vibraciones de la red cristalina provoca que los electrones se estorben los uno a los otros produciendo atascos de tráfico que impiden su flujo, con lo que estos materiales son aislantes. El dopaje químico de estos materiales genera huecos en esta “carretera cuántica” que permite a los electrones moverse “a golpe de semáforos,” pasan de rojo a verde constantemente, permitiendo andar un poco para luego parar. Cuando el dopaje químico es muy alto se forman un número suficiente de huecos en la carretera que permiten que el material sea un conductor eléctrico ordinario. Los cupratos son superconductores a niveles bajos de dopaje químico, que no permiten el movimiento “a golpe de semáforos,” pero que gracias a un mecanismo cuántico aún desconocido permiten el flujo superconductor.

Actualmente se cree que los electrones en los pníctidos también se comportan como en una carretera cuántica similar a la de los cupratos. La teoría BCS no puede explicar su superconductividad a tan alta temperatura. Los átomos de hierro y de arsénico en capas paralelas se comportan como los de cobre y oxígeno en los cupratos, creando los “atascos cuánticos” para los electrones. Aunque los pníctidos y los cupratos comparten ciertos aspectos físicos del modelo de “carretera cuántica” con atascos, por ejemplo, en ambos la superconductividad emerge gracias al dopado de un compuesto no superconductor antiferromagnético, también hay grandes diferencias. Por ejemplo, los pníctidos sin dopar no son aislantes sino conductores. Los físicos tienen esperanza en que lo común entre ambos tipos de materiales que presentan superconductividad de alta temperatura al ser “ligeramente” dopados permita desvelar el secreto de su misterioso comportamiento.

En los cupratos, los electrones se mueven libremente sólo en los planos de átomos cobre-óxido. Ello llevó a pensar a los investigadores que sus propiedades electrónicas superconductoras, como la “carretera cuántica,” eran bidimensionales (2D) o debidas a “algo especial” de la mecánica cuántica de los electrones obligados a moverse en planos. Para sorpresa de todos, en los pníctidos la superconductividad es realmente tridimensional y los electrones se mueven en todas direcciones (no sólo en planos) como han mostrado H.Q. Yuan et al. “Nearly isotropic superconductivity in (Ba,K)Fe2As2,” Nature 457: 565-568, 29 January 2009 . Si cupratos y pníctidos son superconductores por la misma razón, entonces la aparente bidimensionalidad en los cupratos es accidental y ha “engañado” a los físicos teóricos que han buscado la explicación por el camino equivocado.

Original Abstract Extract: “Superconductivity was recently observed in iron-arsenic-based compounds with a superconducting transition temperature (Tc) as high as 56 K, naturally raising comparisons with the high-Tc copper oxides. The copper oxides have layered crystal structures with quasi-two-dimensional electronic properties, which led to speculation that reduced dimensionality (that is, extreme anisotropy) is a necessary prerequisite for superconductivity at temperatures above 40 K. Here we report measurements of the electrical resistivity in single crystals of (Ba,K)Fe2As2 in a magnetic field up to 60 T. We find that the superconducting properties are in fact quite isotropic, being rather independent of the direction of the applied magnetic fields at low temperature. Such behaviour is strikingly different from all previously known layered superconductors, and indicates that reduced dimensionality in these compounds is not a prerequisite for ‘high-temperature’ superconductivity.”

Los cuasielectrones en un líquido de Fermi ocupan todos los niveles energéticos posibles hasta cierto nivel que se denomina nivel de Fermi o superficie de Fermi, por encima del cual los estados energéticos están libres. En metales ordinarios o en cupratos fuertemente dopados, los experimentos indican que la transición en la superficie de Fermi es brusca, como un precipicio. Para dopajes bajos, en los cupratos el nivel de Fermi es suave con un perfil parabólico, cuyo origen cuántico todavía no se entiende bien pero es lo que se esperaría en la teoría LDA (local density approximation) para la estructura en bandas electrónicas del material. En los pníctidos superconductores el nivel de Fermi es suave pero no es parabólico, presentando una estructura más elíptica (la forma del motor de un avión a reacción), como han mostrado los experimentos de fotoemisión de V.B. Zabolotnyy et al., “(pi,pi) electronic order in iron arsenide superconductors,” Nature 457: 569-572, 29 January 2009 . La teoría LDA no puede explicar este comportamiento de los pníctidos. De nuevo, un camino “prometedor” en los cupratos, aunque llevó a un callejón sin salida, se muestra completamente “erróneo” en pníctidos.

Original Abstract Extract: “Electron density waves have been observed in many families of superconductors, and are often considered to be essential for superconductivity to exist. Recent measurements in iron pnictides implies no relation between density waves and superconductivity in these materials. Here we report that the electronic structure of Ba1-xKxFe2As2 is in sharp disagreement with those band structure calculations, and instead reveals a reconstruction characterized by a (pi,pi) wavevector. This electronic order coexists with superconductivity and persists up to room temperature (300 K).”

Es pronto todavía para afirmar nada concreto, pero estas inesperadas sorpresas nos hacen ver la superconductividad de alta temperatura en cupratos con “nuevos ojos.” Los teóricos están ávidos de explorar nuevos caminos para desvelar el secreto de la caja de Pandora de la superconductividad de alta temperatura, la piedra de Rosetta que desvelará su misterio quizás sean los pníctidos. ¿Será el origen “cuántico” de la superconductividad de alta temperatura en cupratos y pníctidos completamente diferente?