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Física

Los superconductores de hierro cumplen diez años

Ocurrió hace diez años, por sorpresa, como casi siempre ocurre en el ámbito de la superconductividad. El grupo del Profesor  Hosono en Tokio intentaba mejorar las propiedades de materiales para su uso en pantallas de ordenadores y televisores. Entre los compuestos bajo estudio se encontraba el LaFeAsO. La sorpresa apareció al cambiar ligeramente la composición de este material sustituyendo algunos átomos de oxígeno por flúor.  Al hacer este cambio se estaban añadiendo portadores de corriente eléctrica, lo que en el argot científico conocemos como dopar. Observaron que al bajar la temperatura del compuesto dopado la resistencia a la corriente eléctrica descendía a cero de forma abrupta a 26 kelvin (- 247ºC) e iba acompañada de una señal magnética que indicaba que por debajo de esa temperatura el material era superconductor. Este descubrimiento se incluyó entre los diez descubrimientos más importantes realizados en 2008 en todo el mundo.

En las semanas que siguieron al descubrimiento se produjo un vorágine científica poco común liderada por la comunidad científica china, que hasta entonces era poco conocida en este área. Recuerdo llegar cada día al despacho impaciente por ver qué novedades había. Se descubrieron muchos nuevos materiales que eran superconductores a temperaturas de hasta 56 kelvin (-217ºC). Los nuevos superconductores contenían idénticas capas de hierro y arsénico.  Más tarde se descubrirían también superconductores con capas, de hierro y selenio.

Los superconductores son materiales que expulsan los campos magnéticos y por los que la corriente eléctrica fluye sin presentar resistencia, al contrario de lo que ocurre en los cables de cobre. Actualmente encontramos superconductores en los aparatos de resonancia magnética de los hospitales, en los grandes aceleradores de partículas como el CERN, en los detectores más sensibles de campos magnéticos y empiezan a utilizarse en los molinos de viento. Si pudieran sustituirse los actuales cables de cobre por superconductores sin pérdidas de energía o utilizarse en la fabricación de motores de forma habitual nuestra vida cambiaría notablemente.

La superconductividad aparece solamente por debajo de una temperatura crítica a la que se produce una transición de fase. Hasta 1985 todos los superconductores conocidos tenían temperaturas críticas inferiores a los 25 kelvin (-248ºC). Contra todo pronóstico en 1986 se descubrió superconductividad de alta temperatura en óxidos de cobre, habitualmente llamados cupratos. La importancia del descubrimiento fue tal que tan sólo un año después su descubridores Berdnorz y Müller recibieron el premio Nobel. La temperatura crítica en estos compuestos puede llegar a ser de hasta aprox -140 ºC, lo que facilita notablemente su uso en aplicaciones.

Ilustración de Isabel de Olano — isabeldeolano.com

A la temperatura crítica el estado de los electrones se ve dramáticamente alterado. Los electrones forman pares, llamados pares de Cooper, y todos estos pares se mueven de forma coordinada. Los electrones son partículas cargadas negativamente que se repelen por lo que es necesario algún mecanismo que haga que se atraigan. En su teoría BCS de 1957, Bardeen, Cooper y Schrieffer explicaron que la atracción entre los electrones y los iones de la red  estaban detrás de la formación de los pares de Cooper, es lo que llamamos superconductividad debida a fonones. Esta teoría funcionó bien en los centenares de superconductores que se conocían durante más de 20 años. Desde el primer momento se vio que el mecanismo de fonones de la teoría BCS no explicaba la superconductividad en estos materiales. De hecho en esa época se creía que la teoría BCS no podía explicar temperaturas críticas altas, aunque hoy sabemos que esto no es cierto.

En realidad, los cupratos no fueron los primeros superconductores en desafiar a la teoría. A finales de los ’70 ya empezaron a aparecer compuestos con temperatura crítica baja en los que la superconductividad no parecía poder explicarse con el mecanismo de fonones de la teoría BCS. Entre ellos había materiales orgánicos y otros llamados de fermiones pesados porque los electrones se comportan como si tuvieran una masa muy grande.

En todos estos compuestos la repulsión entre los electrones tiene consecuencias muy importantes. Además de la superconductividad encontramos otras fases electrónicas, algunas magnéticas, otras anisótropas e incluso estados aún sin identificar. La repulsión entre los electrones puede llegar a hacer que los electrones se localicen y los cupratos se vuelvan aislantes. Teniendo en cuenta que la superconductividad involucra la formación de pares de electrones, es paradójico que los sistemas en los que la repulsión electrónica es tan fuerte puedan tener altas temperaturas críticas.

Las propiedades de los cupratos son especialmente anómalas. A pesar del gran esfuerzo de la comunidad científica que convertía a estos materiales en los más estudiados de la historia, veinte años después de su descubrimiento, ni muchas de sus propiedades ni el origen de la superconductividad de alta temperatura se entendía. Tampoco se habían descubierto otros materiales superconductores de alta temperatura crítica.

En este contexto se enmarca el descubrimiento de Hosono y su grupo de la segunda familia de superconductores de alta temperatura: los superconductores basados en hierro. La temperatura crítica del LaFeAsO dopado de 26 kelvin podría no parecer muy alta y ya por entonces se conocían superconductores convencionales con una temperatura superior. Sin embargo, desde el principio estuvo claro que este superconductor era no-convencional. En particular, como en cupratos, superconductores orgánicos y fermiones pesados, se vio que la superconductividad aparecía al suprimir una fase magnética.

Además de la nueva vía que se abría de descubrir nuevos materiales con altas temperaturas críticas, se esperaba poder entender qué pasaba en los cupratos. Pero no ha sido tan fácil. En estos diez años de intensa investigación en superconductores de hierro han surgido nuevos frentes y propiedades inesperadas. Aún no comprendemos estos materiales. La mayor parte de la comunidad científica cree que el origen de la superconductividad en estos sistemas está relacionado con la fase magnética de la que emerge. La duda es cómo entra esta fase magnética y qué papel juegan en la superconductividad y otras propiedades las fuertes correlaciones electrónicas y los otros estados electrónicos, en particular los anisótropos que  suelen rondar la fase superconductora.

Créditos de la imagen:  Takashi Takahashi

Hace tres años, la comunidad científica se vio de nuevo sorprendida por el descubrimiento de superconductividad en H3S a casi 200 K pero presiones extremadamente altas. Este superconductor sigue la teoría BCS de los fonones e incluso había sido predicho. Por ello en pocos meses hubo consenso en la comunidad científica sobre el origen de la superconductividad y otras propiedades de estos materiales.

Mientras tanto los superconductores no convencionales con fuertes correlaciones electrónicas siguen desafiándonos.


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