Hay una alteración literal en la fuerza que altera lo que los físicos han considerado durante mucho tiempo como una característica de la superconductividad, según los científicos de la Universidad de Rice.

Los físicos de Rice Pengcheng Dai y Andriy Nevidomskyy y sus colegas utilizaron simulaciones y experimentos de dispersión de neutrones que muestran la estructura atómica de los materiales para revelar pequeñas distorsiones de la red cristalina en un llamado compuesto pnictida de hierro de sodio. planchar, níquel y arsénico.

Estas distorsiones locales se observaron entre el orden atómico simétrico del material a temperaturas ultrafrías cercanas al punto de superconductividad óptima. Indican que los investigadores pueden tener cierto margen de maniobra mientras trabajan para aumentar la temperatura a la que los pnictidos de hierro se convierten en superconductores.

El descubrimiento reportado esta semana en Comunicaciones de la naturaleza es el resultado de casi dos años de trabajo del equipo de Rice y sus colaboradores en los EE. UU., Alemania y China.

Dai y Nevidomskyy, ambos miembros del Rice Center for Quantum Materials (RCQM), están interesados ​​en los procesos fundamentales que dan lugar a fenómenos colectivos novedosos como la superconductividad, lo que permite que los materiales transmitan corriente eléctrica sin resistencia.

Los científicos encontraron originalmente superconductividad a temperaturas ultra frías que permiten que los átomos cooperen de formas que no son posibles a temperatura ambiente. Incluso los superconductores conocidos de "alta temperatura" alcanzan un máximo de 134 Kelvin a presión ambiente, equivalente a menos 218 grados Fahrenheit.

Entonces, si hay alguna esperanza de un uso práctico generalizado de la superconductividad, los científicos tienen que encontrar lagunas en la física básica sobre cómo se comportan los átomos y sus constituyentes en una variedad de condiciones.

Eso es lo que han hecho los investigadores de Rice con el pnictida de hierro, un "superconductor no convencional" de sodio, hierro y arsénico, especialmente cuando está dopado con níquel.

Para hacer que cualquier material sea superconductor, debe enfriarse. Eso lo envía a través de tres transiciones:Primero, una transición de fase estructural que cambia la celosía; segundo, una transición magnética que parece convertir los materiales paramagnéticos en antiferromagnetos en los que los espines de los átomos se alinean en direcciones alternas; y tercero, la transición a la superconductividad. A veces, la primera y la segunda fase son casi simultáneas, dependiendo del material.

En la mayoría de los superconductores no convencionales, cada etapa es crítica para la siguiente, ya que los electrones del sistema comienzan a unirse en pares de Cooper, alcanzar la correlación máxima en un punto crítico cuántico, el punto en el que se suprime el orden magnético y aparece la superconductividad.

Pero en el superconductor pnictide, los investigadores encontraron que la primera transición es un poco confusa, ya que parte del enrejado adquirió una propiedad conocida como fase nemática. Nematic se extrae de la palabra griega para "parecido a un hilo" y es similar a la física de los cristales líquidos que se alinean en reacción a una fuerza externa.

La clave de la superconductividad del material parece estar dentro de una propiedad sutil que es exclusiva de los pnictides de hierro:una transición estructural en su red cristalina, la disposición ordenada de sus átomos, de tetragonal a ortorrómbico. En un cristal tetragonal, los átomos están dispuestos como cubos que se han estirado en una dirección. Una estructura ortorrómbica tiene forma de ladrillo.

Se sabe que los cristales de pnictida de sodio-hierro-arsénico son tetragonales hasta que se enfrían a una temperatura de transición que obliga a la red a volverse ortorrómbica. un paso hacia la superconductividad que aparece a temperaturas más bajas. Pero los investigadores de Rice se sorprendieron al ver regiones ortorrómbicas anómalas muy por encima de esa temperatura de transición estructural. Esto ocurrió en muestras que fueron mínimamente dopadas con níquel y persistieron cuando los materiales estaban sobredopados. ellos informaron.

"En la fase tetragonal, las direcciones (cuadradas) A y B de la celosía son absolutamente iguales, "dijo Dai, que llevó a cabo experimentos de dispersión de neutrones para caracterizar el material en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge, el Instituto Nacional de Estándares y Centro de Tecnología para la Investigación de Neutrones y la Fuente de Investigación de Neutrones en el Centro Heinz Maier-Leibnitz.

"Cuando lo enfríes, inicialmente se vuelve ortorrómbico, lo que significa que la celosía colapsa espontáneamente en un eje, y, sin embargo, todavía no existe un orden magnético. Descubrimos que midiendo con mucha precisión este parámetro de celosía y su distorsión por dependencia de la temperatura, pudimos decir cómo cambia la red en función de la temperatura en el régimen tetragonal paramagnético ".

Se sorprendieron al ver focos de una fase nemática superconductora que inclinaba el enrejado hacia la forma ortorrómbica incluso por encima de la primera transición.

"Todo el artículo sugiere que hay distorsiones locales que aparecen a una temperatura a la que el sistema, en principio, debe ser tetragonal, "Dijo Dai." Estas distorsiones locales no sólo cambian en función de la temperatura, sino que en realidad 'saben' acerca de la superconductividad. Luego, su dependencia de la temperatura cambia a una superconductividad óptima, lo que sugiere que el sistema tiene un punto crítico cuántico nemático, cuando se suprimen las fases nemáticas locales.

"Básicamente, te dice que este orden nemático está compitiendo con la superconductividad misma, ", dijo." Pero luego sugiere que la fluctuación nemática también puede ayudar a la superconductividad, porque cambia la dependencia de la temperatura en torno al dopaje óptimo ".

Ser capaz de manipular ese punto de dopaje óptimo puede dar a los investigadores una mejor capacidad para diseñar materiales con propiedades novedosas y predecibles.

"Las fluctuaciones nemáticas electrónicas crecen mucho en las proximidades del punto crítico cuántico, y quedan atrapados por imperfecciones e impurezas de cristales locales, manifestándose en las distorsiones locales que medimos, "dijo Nevidomskyy, quien lideró el lado teórico de la investigación. "El aspecto más intrigante es que la superconductividad es más fuerte cuando esto sucede, sugiriendo que estas fluctuaciones nemáticas son fundamentales en su formación ".