Algunos superconductores a base de hierro podrían beneficiarse de una puesta a punto, según dos estudios de físicos y colaboradores de Rice University.

"Nuestro trabajo demuestra un nuevo principio de diseño para ajustar materiales cuánticos para lograr una superconductividad no convencional a temperaturas más altas, "dijo Qimiao Si de Rice, el físico teórico principal de los estudios, que investigan patrones inusuales de superconductividad que se han informado previamente en el seleniuro de hierro.

"Mostramos cómo la nematicidad, un pedido electrónico inusual, puede aumentar las posibilidades de que la superconductividad surja del emparejamiento de electrones en orbitales específicos, "dijo Si, director del Rice Center for Quantum Materials (RCQM) y el profesor Harry C. y Olga K. Wiess de Física y Astronomía. "Ajustar los materiales para mejorar este efecto podría fomentar la superconductividad a temperaturas más altas".

La corriente eléctrica calienta el cableado, gracias a los empujones de innumerables electrones, que pierden energía cada vez que chocan con algo. Aproximadamente el 6 por ciento de la electricidad en las redes eléctricas de EE. UU. Se pierde por esta calefacción, o resistencia eléctrica, cada año. A diferencia de, los electrones en los superconductores forman pares que fluyen sin esfuerzo, sin resistencia ni calor.

Los ingenieros han soñado durante mucho tiempo con aprovechar la superconductividad para la informática de bajo consumo, redes eléctricas y más, pero los electrones son notorios solitarios, el miembro más estudiado de una familia cuántica llamada fermiones. Los fermiones se oponen tanto a compartir el espacio entre sí que se sabe que en su lugar desaparecen temporalmente. Debido a su peculiar naturaleza cuántica, persuadir a los electrones para que formen pares a menudo requiere condiciones extremas, como presión intensa o temperaturas más frías que el espacio profundo.

La superconductividad no convencional, del tipo que ocurre en materiales como el seleniuro de hierro, es diferente. Por razones que los físicos no pueden explicar completamente, los electrones en superconductores no convencionales forman pares a temperaturas relativamente altas. El comportamiento se ha documentado en docenas de materiales durante los últimos 40 años. Y aunque el mecanismo exacto sigue siendo un misterio, Los físicos como Si han aprendido a predecir cómo se comportarán los superconductores no convencionales en algunas situaciones.

En los nuevos estudios, Si, El estudiante graduado de Rice, Haoyu Hu, y sus colaboradores utilizaron un modelo teórico de "emparejamiento selectivo orbital" para explicar los resultados experimentales previos del seleniuro de hierro y predecir cómo se comportarán este y otros materiales en otras circunstancias. El equipo incluía a Haoyu Hu, estudiante de posgrado en Rice University, Rong Yu de la Universidad Renmin de China, Emilian Nica de la Universidad Estatal de Arizona y Jian-Xin Zhu del Laboratorio Nacional de Los Alamos. En su modelo, los electrones en algunas capas atómicas tienen más probabilidades de formar pares que en otras. Si dijo que una forma de visualizar esto es pensar en orbitales atómicos como carriles en una autopista.

"Los automóviles viajan a diferentes velocidades en diferentes carriles, ", dijo." Esperamos que los que están en el carril izquierdo se muevan más rápido, pero ese no es siempre el caso. Cuando hay muchos autos en la carretera, otros carriles pueden moverse más rápido. Los electrones de los superconductores no convencionales son como los coches en una autopista abarrotada. Deben evitarse unos a otros y pueden terminar atrapados en un carril. La sintonía para el orden electrónico es una forma de convertir los electrones en orbitales específicos, al igual que los conos y las barreras de las carreteras que dirigen a los automóviles a carriles específicos ".

Los superconductores de alta temperatura a base de hierro se descubrieron en 2008, y Si y colaboradores ofrecieron una de las primeras teorías para explicarlos:enfriarlos hasta la vecindad de un punto crítico cuántico produce efectos pronunciados de electrones correlacionados, comportamientos que surgen y solo pueden entenderse al considerar a los electrones como un sistema colectivo en lugar de muchos objetos individuales.

Los nuevos papeles que apareció en Cartas de revisión física ( PRL ) y Revisión física B ( PRB ), basarse en la investigación que Si realizó con Yu y Nica durante sus estudios postdoctorales y de posgrado en Rice. En 2013, Si y Yu demostraron que el comportamiento selectivo de orbitales podría hacer que los seleniuros de hierro alcalino exhibieran simultáneamente las características conflictivas de los metales y los aislantes. En 2017, Si, Nica y sus colegas demostraron que era posible que los seleniuros de hierro tuvieran un estado superconductor en el que los pares de electrones asociados con un orbital de una subcapa eran muy diferentes de los de un orbital estrechamente relacionado en la misma subcapa.

"En el presente trabajo, Demostramos que un orden nemático mejora drásticamente la selectividad orbital en el estado normal a temperaturas por encima de la temperatura de transición superconductora, "dijo Yu, autor principal del PRL papel.

En sistemas nemáticos, hay un mayor grado de orden en una dirección que en otra. En una caja de espaguetis crudos, por ejemplo, los fideos están alineados a lo largo pero desordenados si se ven en dirección perpendicular.

Analizar la naturaleza de la superconductividad en presencia del orden electrónico nemático, Yu, Si y sus colegas analizaron la "brecha superconductora, "una medida que compara los costos de energía asociados con la ruptura de pares de electrones en la dirección nemática y la dirección perpendicular. Sus cálculos revelaron una gran diferencia.

"Nuestros resultados proporcionan una comprensión natural de resultados muy sorprendentes que se informaron recientemente sobre la base de mediciones minuciosas de la brecha superconductora en el seleniuro de hierro con microscopía de túnel de barrido, "dijo Hu, el autor principal de la PRB papel.

Si dijo que el trabajo "arroja luz sobre la interacción entre el emparejamiento selectivo orbital y las órdenes electrónicas, que parecen ser ingredientes importantes para la superconductividad no convencional tanto en superconductores a base de hierro como en otros materiales cuánticos fuertemente correlacionados ".