Superconductores cuya temperatura crítica es insensible a la densidad de portadores

Dibujo20130829 Anomalous independence of interface superconductivity from carrier density

El secreto de los superconductores de alta temperatura es uno de los problemas más importantes de la física teórica actual. Cada año se descubren nuevas e inesperadas propiedades de los cupratos y pnicturos. Se publica en Nature que hay cupratos cuya temperatura de transición Tc es insensible a la densidad de portadores. Se ha estudiado una estructura bicapa formada por una película de un cuprato aislante, La2CuO4, y otra de uno metálico, La2-xSrxCuO4, en la que se ha variado el porcentaje de dopado x entre 0,15 y 0,47; la sorpresa para los autores del estudio es la temperatura crítica Tc no cambia (aunque otras propiedades como la resistencia Hall cambian en un orden de magnitud). Nadie tiene una explicación a algo tan exótico e inesperado, que además pone en problemas varias teorías prometedoras para explicar los superconductores de alta temperatura. Lo apasionante de este campo es que conforme crece el número de experimentos, el número de incógnitas a resolver también crece. Sin lugar a dudas quien idee una teoría que explique el comportamiento superconductor de cupratos y pnicturos observado en los experimentos merecerá un Premio Nobel inmediato, pues habrá logrado explicar muchas más cosas que la mayoría de los laureados con este premio; aunque quizás no haya una única teoría, sino una red compleja de diversas teorías que explican la superconductivdad a alta temperatura en diversos materiales y en diversas circunstancias. El artículo técnico con el nuevo descubrimiento es J. Wu et al., «Anomalous independence of interface superconductivity from carrier density,» Nature Materials, Published online 04 August 2013.

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Nueva fase exótica en los superconductores de alta temperatura

Dibujo201300606 electronic order - cuprates

En 1986 se descubrió la superconductividad de alta temperatura en cupratos (óxidos de cobre). En 1988 se predijo que en ellos, de forma espontánea, ciertos electrones se organizan en vórtices de corriente que actúan como un atasco de tráfico para el resto. En 1997 se calculó su efecto en los fonones (vibraciones de los iones que forman la estructura cristalina) esta nueva fase exótica de la materia. Gracias a ultrasonidos se ha medido dicho efecto confirmando esta predicción. ¿Podría estar relacionada con el origen de la superconductividad de alta temperatura? Gracias a la espectroscopía de resonancia por ultrasonidos, que realiza una ecografía del material, se observa que la nueva fase depende de la temperatura y del dopaje con «huecos» del material, afectando a la temperatura crítica del superconductor; se cree que los «atascos de tráfico» electrónico de la nueva fase exótica actúan como una especie de «pegamento» para los pares de Cooper responsables de la superconductividad. Aunque el origen de la nueva fase exótica de la materia no está claro y tampoco su acción detallada sobre los pares de Cooper, este nuevo descubrimiento experimental podría abrir una línea de ataque muy prometedora para resolver uno de los grandes misterios de la física actual, el origen de la superconductividad de alta temperatura. Por supuesto, serán necesarios nuevos estudios mediante ultrasonidos de la nueva fase en otros cupratos ya que este estudio se ha limitado a YBa2Cu3O6+δ. Nos lo cuenta Jan Zaanen, «High-temperature superconductivity: The sound of a hidden order,» Nature 498: 41–42, 06 Jun 2013, que se hace eco del artículo técnico de Arkady Shekhter et al., «Bounding the pseudogap with a line of phase transitions in YBa2Cu3O6+δ,» Nature 498: 75–77, 06 Jun 2013.

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El secreto de la superconductividad a alta temperatura en cupratos

No, yo no atesoro el secreto. Lo siento. Nadie conoce aún el secreto de la superconductividad de alta temperatura en cupratos (compuestos de óxido de cobre), descubierta hace 25 años. Sin embargo, dos artículos recientes, uno en Nature y otro en Science, apuntan a que el secreto está en explicar el diagrama de fase electrónica genérico para los cupratos mostrado en la figura de arriba. Los jóvenes que sueñen con desvelar este secreto deben aprenderse bien este diagrama de fase y todos sus detalles. Paul Michael Grant afirma en Nature que todo apunta a que el secreto se oculta en este diagrama de fase genérico que ha costado 25 años reconstruir. ¿Qué relación hay entre el estado superconductor y el punto crítico cuántico (g* en la figura)? ¿Cómo es posible que el estado superconductor pueda aparecer tanto en un aislante de Mott como en un metal? ¿Se descubrirá pronto la respuesta? Nos lo cuenta Paul Michael Grant, «High–temperature superconductivity: The great quantum conundrum,» Nature 476: 37–39, 04 August 2011; que se hace eco de los artículos de K. Jin et al., «Link between spin fluctuations and electron pairing in copper oxide superconductors,» Nature 476: 73–75, 04 August 2011, y Rui-Hua He et al., «From a Single-Band Metal to a High-Temperature Superconductor via Two Thermal Phase Transitions,» Science 331: 1579-1583, 25 March 2011; el primero de ellos estudia el diagrama de fase electrónica para los cupratos dopados con átomos tipo p (aceptores de electrones o dadores de huecos) y el segundo el de los dopados con átomos tipo n (dadores de electrones). En opinión de Grant, la coincidencia entre los diagramas de fase electrónica de los cupratos en ambos casos oculta la clave para entender la superconductividad de alta temperatura.

Quizás quieras una explicación de la figura, no soy experto en física del estado sólido, pero trataré de aclararla un poco. La figura muestra lo que se cree que es el diagrama de fase electrónica genérico de un cuprato (superconductor basado en óxido de cobre); estos materiales cuando no son superconductores se comportan como perovskitas. El diagrama de fase electrónica es parecido a un diagrama de fase convencional que representa los diferentes estados de un material. El diagrama de fase convencional tiene en el eje vertical la presión y en el horizontal la temperatura; presenta puntos triples (en los que coexisten los estados sólido, líquido y gaseoso) y puntos críticos (clásicos) en los que las propiedades que separan dos fases se diluyen (en el caso del agua, la curva que separa las fases de vapor y de líquido se detiene en un punto crítico más allá del cual el agua se comporta como un fluido supercrítico que tiene propiedades tanto de los líquidos como de los gases).

En el diagrama de fase electrónica, el eje vertical muestra la temperatura (T) y el horizontal la densidad de carga eléctrica local (g), cuyo origen es el dopado del material (también puede ser la presión a la que está sometido). Según la teoría de bandas para explicar la conductividad de los sólidos, los cupratos deberían ser siempre metales, pero no lo son, también pueden ser aislantes antiferromagnéticos de Mott, en los que los cationes (átomos) metálicos adyacentes tienen espines opuestos. La superconductividad de alta temperatura se descubrió al dopar estos materiales con un metal tipo p, que introduce huecos en su estructura de bandas, destruyendo el orden antiferromagnético y creando dos estados de conducción, uno normal y otro superconductor. También ocurre cuando se dopan con un metal tipo n, que introduce electrones en lugar de huecos.

Retornando a la figura. Los estados que se observan en este diagrama genérico para un cuprato son, de izquierda a derecha y alta temperatura: un aislante antiferromagnético tipo Mott (azul claro); un estado (morado) en el que los portadores de mueven (conducen) pero «recuerdan» su origen antiferromagnético (aislante), por lo que en lugar de un salto (gap) entre las bandas de conducción y valencia aparece un «pseudosalto» (pseudogap); finalmente, un estado metálico conductor (rosa), que pasa de tener una dependencia de la resistencia eléctrica (R) proporcional a la temperatura, a una dependencia proporcional a la temperatura al cuadrado. A temperatura nula, en el cero absoluto, de izquierda a derecha, conforme g crece, el material pasa de ser aislante a ser conductor al atravesar un punto crítico cuántico (g*). El régimen superconductor (verde) contiene al punto crítico cuántico y tiene frontera con todas las fases elecrónicas del material. Explicar cómo es esto posible permitirá desvelar el secreto de la superconductividad de alta temperatura. 

Según Grant, el secreto se encuentra oculto en la ecuación de Schrödinger para un sistema de muchos cuerpos (electrones y núcleos) en interacción, incluyendo el efecto del espín. La ecuación central de la «teoría de todo,» la teoría que describe toda la química, todo la física, toda la biología y todo lo que nos rodea. A partir de esta ecuación emergen la vida, el clima, los teléfonos móviles y la superconductividad de alta temperatura. El problema es que nadie puede resolver esta ecuación para un gran número de partículas (un número comparable al número de Avogadro).

Phil W. Anderson, Premio Nobel de Física 1977, el físico más creativo de toda la historia según el estudio bibliométrico del español José M. Soler [DOI], «el descubrimiento de la superconductividad de alta temperatura en un aislante antiferromagnético fue un afortunado accidente.» La fortuna también tendrá que estar de parte de quien descubra el secreto del diagrama de fase electrónica genérico de los cupratos.

El superconductor de alta temperatura más delgado: una capa monoatómica de un cuprato

Dibujo20091102_Schematic_illustration_layer-by-layer_LSCO-LCO_bilayer_six_unit_cells_thick_LSCO_nonsuperconducting_metal_M_and_LCO_insulatorLos cupratos están formados por capas alternas. ¿Cuántas capas planas son necesarias para observar la superconductividad? Sólo una. Un nuevo estudio experimental publicado en Science ha observado la superconductividad con una Tc de 32 K en una película «bicapa» con una sola capa metálica, dopada con zinc, LCZO, y una sola capa aislante, LCO. El dopado con zinc de toda la película de cuprato, elimina completamente la superconductividad. Cuando sólo se dopan ciertos planos, la temperatura crítica se reduce de 32 K a solo 18 K. Logvenov y sus colegas han dopado con zinc un solo plano de una «bicapa» y han observado que la Tc se mantiene en 32 K. Interpretan su experimento como que el origen de las superconductividad se encuentra en la capa monoatómica que hace de interface entre ambas capas de la bicapa, la metálica y la aislante. Han fabricado esta estructura utilizando la técnica de epitaxia por haces moleculares (MBE). El trabajo es un gran avance experimental que no sólo aporta gran información para los teóricos sino que además tendrá múltiples aplicaciones que requieren capas superconductoras ultradelgadas. El artículo técnico es G. Logvenov, A. Gozar, I. Bozovic, «High-Temperature Superconductivity in a Single Copper-Oxygen Plane,» Science 5953: 699-702, 30 October 2009. Se han hecho eco de este artículo en «High-temperature superconductor goes super thin,» Physics Today, Nov 2, 2009.

Estudiar si una sola capa de un cuprato puede ser superconductora es difícil porque una capa ultradelgada presenta defectos superficiales que reducen la temperatura crítica como la rugosidad superficial o la interdifusión de cationes con el substrato.  En superconductores de la familia de los La-Sr-Cu-O, la temperatura crítica más alta observada en películas delgadas era de unos 10 K en películas formadas por 4 planos de óxido de cobre superconductores. En capas biatómicas de plomo se observó la superconductividad convencional (BCS) este año («Superconductividad observada en capas biatómicas de plomo,» 7 Mayo 2009).

Descubrir el secreto de la superconductividad de alta temperatura crítica le quita el sueño a muchos investigadores. Un fenómeno polifacético del que cada día descubrimos nuevas caras. Los cupratos están formados por capas alternas (los pnicturos también). Muchos teóricos piensan que el origen de la superconductividad de alta Tc está en dicha estructura en capas planas. Han dopado una a una las capas de una película ultradelgada de cuprato para obtener la estructura de la figura: con 6 capas metálicas (LSCO), una capa aislante LCO, una metálica LCZO y 4 aislantes (LCO). La adición de zinc a una capa de óxido de cobre reduce la Tc en dicha capa a sólo 18 K (dopar todas las capas, la destruye). El nuevo estudio ha mostrado la estructura superconductora más delgada conocida, con una sola capa con un grosor de 3 celdas unidad de la estructura cristalina que es superconductora con una temperatura de transición de 32 K. Un trabajo espectacular y necesario desde que se descubrió que algunos pnicturos son superconductores tridimensionales, a diferencia de los cupratos y el resto de los pnicturos. Cada día el secreto de los superconductores de alta Tc está más próximo.