Esta imagen producida por el microscopio de túnel de barrido de imágenes espectroscópicas revela la ubicación de cada átomo en la superficie, así como cada defecto atómico en el campo de visión. Los puntos blancos que forman cuadrados dispuestos a 45 grados con respecto al eje x / y son átomos de selenio (Se), mientras que los defectos:átomos de Fe que faltan en el plano de Fe, aproximadamente un cuarto de nanómetro por debajo de la superficie de Se - aparecen como perturbaciones en forma de mariposa producidas por la interferencia cuántica de los electrones que se dispersan por los defectos. Estos patrones de interferencia de dispersión llevaron al descubrimiento del emparejamiento de Cooper selectivo orbital en FeSe. Crédito:Brookhaven Lab / Cornell U
Un equipo de científicos ha encontrado evidencia de un nuevo tipo de emparejamiento de electrones que puede ampliar la búsqueda de nuevos superconductores de alta temperatura. Los resultados, descrito en la revista Science, proporcionan la base para una descripción unificadora de cómo los materiales "parentales" radicalmente diferentes —compuestos aislantes a base de cobre y compuestos a base de hierro metálico— pueden desarrollar la capacidad de transportar corriente eléctrica sin resistencia a temperaturas sorprendentemente altas.
Según los científicos, Las diferentes características electrónicas de los materiales en realidad son la clave de la similitud.
"Los científicos han pensado que debido a que el punto de partida de la superconductividad en estas dos clases de materiales es tan diferente, necesitas diferentes enfoques teóricos para describirlos, "dijo J.C. Séamus Davis, un físico en el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) y en la Universidad de Cornell, quien dirigió el equipo de científicos experimentales. "En lugar de, nos ha motivado explorar lo que es universal en estos dos sistemas. Idealmente, debería haber una sola explicación ".
Los científicos han entendido en general que el mecanismo de superconductividad en los compuestos de óxido de cobre depende de la capacidad de emparejamiento de los electrones de los átomos de cobre adyacentes. Cada átomo de cobre tiene un solo, electrón desapareado en su capa de energía más externa, u orbital. Mientras que los electrones más externos de los átomos de cobre adyacentes interactúan fuertemente entre sí, normalmente permanecen bloqueados en su lugar, atrapado en un "atasco de tráfico mecánico cuántico" sin ningún lugar adonde ir, Dijo Davis. Sin electrones moviéndose el material actúa como un aislante eléctrico "fuertemente correlacionado".
La eliminación de algunos de los electrones que residen en los átomos de cobre da lugar a vacantes de electrones conocidas como huecos. Esto alivia el atasco cuántico de tráfico para que, cuando el material se enfría a una cierta temperatura, Los electrones opuestos alineados (socios magnéticos donde el "giro" de un electrón apunta hacia arriba y el adyacente apunta hacia abajo) forman pares y luego se vuelven libres para atravesar el material sin impedimentos:un superconductor.
Átomos de hierro, que tienen un núcleo con menor carga positiva que el cobre, ejercen menos tirón sobre los electrones circulantes. Entonces, en lugar de llenar los orbitales de electrones, los electrones en varios orbitales de energía externa permanecen sin aparear, pero alineados entre sí y electrónicamente activos. La alineación de electrones no apareados en múltiples orbitales le da al hierro simple sus fuertes propiedades magnéticas y metálicas. por lo que es fácil ver por qué los compuestos de hierro serían buenos conductores. Pero no está realmente claro cómo podrían convertirse en superconductores de resistencia cero a altas temperaturas sin las fuertes interacciones que crean un estado de aislamiento correlacionado en los materiales a base de cobre.
Para abordar este enigma, Los físicos teóricos comenzaron a considerar la posibilidad de que los electrones no apareados en los diferentes orbitales del hierro pudieran asumir roles muy diferentes. Quizás los electrones no apareados en un orbital en particular podrían emparejarse con electrones en el mismo orbital en un átomo adyacente para transportar la supercorriente, mientras que los electrones en los otros orbitales proporcionan el aislamiento, magnético, y propiedades metálicas.
"El desafío es encontrar una manera de ver que algunos de los electrones son superconductores y otros son aislantes en el mismo cristal, "Dijo Davis.
La superconductividad basada en hierro se produce en materiales como el seleniuro de hierro (FeSe) que contienen planos cristalinos formados por una matriz cuadrada de átomos de hierro (Fe), representado aquí. En estas capas de hierro cada átomo de Fe tiene dos nubes de electrones activos, 'u orbitales - dxz (rojo) y dyz (azul) - cada uno contiene un electrón. Visualizando directamente los estados de los electrones en los planos de hierro de FeSe, los investigadores revelaron que los electrones en los orbitales dxz (rojo) no forman pares de Cooper ni contribuyen a la superconductividad, sino que forman un estado metálico incoherente a lo largo del eje horizontal (x). A diferencia de, todos los electrones en los orbitales dyz (azul) forman pares de Cooper fuertes con átomos vecinos para generar superconductividad. La búsqueda de otros materiales con este exótico emparejamiento 'orbital-selectivo' puede conducir al descubrimiento de nuevos superconductores. Crédito:Brookhaven Lab / Cornell U
La investigación publicada en Ciencias proporciona la primera prueba directa de que se produce tal emparejamiento de electrones "orbital-selectivo".
El equipo teórico de este proyecto:Andreas Kreisel (Universidad de Leipzig), Peter Hirschfeld (Universidad de Florida), y Brian Anderson (Universidad de Copenhague), definieron las firmas electrónicas que deberían estar asociadas con cada orbital de los átomos de hierro. Luego, Los experimentales Peter Sprau y Andrey Kostin (ambos de Brookhaven Lab y Cornell) utilizaron un microscopio de túnel de barrido en el Centro de Superconductividad Emergente, un Centro de Investigación de la Frontera de Energía del DOE en el Laboratorio de Brookhaven, para medir la energía y el momento de los electrones en muestras de seleniuro de hierro que fueron sintetizados por Anna Bohmer y Paul Canfield en el Laboratorio Ames del DOE. La comparación de las mediciones con las firmas electrónicas predichas permitió a los científicos identificar qué electrones estaban asociados con cada orbital.
Con esta información, "Podemos medir la energía de enlace y el momento de los electrones en los 'pares de Cooper' responsables de la superconductividad e identificar qué características de momento de energía tienen, de qué orbital son, "Dijo Davis.
"Pudimos demostrar que casi todos los electrones de los pares de Cooper en el seleniuro de hierro eran de un orbital de menor energía en particular (el orbital d_yz), Davis dijo. Los hallazgos también implican que el electrón en el orbital más externo del hierro en el seleniuro de hierro exhibe virtualmente propiedades aislantes, al igual que en los compuestos de óxido de cobre.
"Debido a que el seleniuro de hierro normalmente exhibe una buena conductividad metálica, ¿Cómo podría uno saber que los electrones en este orbital están actuando como lo hacen en aisladores correlacionados? ¡Este estado de fuerte interacción y virtualmente aislante se escondía a plena vista! ", Dijo.
Con este estado de aislamiento orbital externo, el compuesto de hierro tiene los mismos requisitos de superconductividad que los óxidos de cobre:una fuerte interacción magnética (emparejamiento arriba / abajo) de los electrones casi localizados, y un estado metálico que permite que esos pares se muevan. La gran diferencia es que en el seleniuro de hierro, estas contribuciones provienen de diferentes electrones en tres orbitales activos separados, en lugar del único electrón en un orbital activo en el cobre.
"En el hierro tienes la conductividad gratis. Y tienes el magnetismo gratis, pero se basa en un electrón diferente. Ambos conviven en el mismo átomo, "Dijo Davis. Así que una vez que tengas pares de Cooper, parece que no hay necesidad de agregar agujeros para que la corriente fluya.
Esta comprensión puede ampliar la búsqueda de nuevos superconductores que puedan operar potencialmente en condiciones más cálidas. Tales superconductores de alta temperatura serían más prácticos para el mundo real, aplicaciones de ahorro de energía como líneas eléctricas o dispositivos de almacenamiento de energía.
"En lugar de buscar nuevos aislantes antiferromagnéticos de un solo electrón como el óxido de cobre para fabricar superconductores de alta temperatura, tal vez deberíamos buscar nuevos productos altamente magnéticos, materiales metálicos que tienen propiedades como el hierro pero en una disposición orbitalmente selectiva, "Esto abre el mundo de la ciencia de los materiales a muchos tipos nuevos de materiales que podrían ser superconductores de alta temperatura", dijo Davis.
