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 hallazgos, descritos en la revista Science, proporcionan la base para una descripción unificadora de cuán radicalmente diferente "padre""los materiales compuestos aislantes a base de cobre y compuestos metálicos a base de hierro pueden desarrollar la capacidad de transportar corriente eléctrica sin resistencia a temperaturas sorprendentemente altas".
Según los científicos, las características electrónicas diferentes de los materiales son la clave de la comunidad.
"Los científicos han pensado que debido a que el punto de partida para la superconductividad en estas dos clases de materiales es muy diferente, se necesitan diferentes enfoques teóricos para describirlos", dijo JC Séamus Davis, físico del Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. DOENational Laboratory y la Universidad de Cornell, quienes dirigieron el equipo de científicos experimentales. "En cambio, hemos estado motivados para explorar lo que es universal acerca de estos dos sistemas. Idealmente, debería haber una sola explicación".
Los científicos generalmente han entendido que el mecanismo de superconductividad en los compuestos de óxido de cobre depende de la capacidad de los electrones en los átomos de cobre adyacentes para emparejarse. Cada átomo de cobre tiene un solo electrón no apareado en su capa de energía u orbital más externo. Mientras que el más externoLos electrones en los átomos de cobre adyacentes interactúan fuertemente entre sí, normalmente permanecen bloqueados en su lugar, atrapados en un "atasco de tráfico mecánico cuántico" sin ningún lugar a donde ir, dijo Davis. Sin electrones en movimiento, el material actúa como un elemento eléctrico "fuertemente correlacionado"aislante.
La eliminación de algunos de los electrones que residen en los átomos de cobre da como resultado vacíos de electrones conocidos como agujeros. Esto alivia el atasco de tráfico cuántico de modo que, cuando el material se enfría a una cierta temperatura, electrones alineados en sentido opuesto parejas magnéticas donde el "giro"de un electrón apunta hacia arriba y el adyacente apunta hacia abajo forman pares y luego se liberan para atravesar el material sin impedimentos un superconductor.
Los átomos de hierro, que tienen un núcleo con una carga positiva más pequeña que el cobre, ejercen menos presión sobre los electrones circulantes. Por lo tanto, en lugar de llenar orbitales de electrones, los electrones en varios orbitales de energía externa permanecen sin emparejar, 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 los fuertesinteracciones que crean un estado aislante 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 papeles muy diferentes. Quizás los electrones no apareados en un orbital particular podrían emparejarse con electrones en el mismo orbital en un átomo adyacente paratransportan la supercorriente, mientras que los electrones en los otros orbitales proporcionan las propiedades aislantes, magnéticas y metálicas.
"El desafío es encontrar una manera de ver que algunos de los electrones son superconductores y otros aislantes en el mismo cristal", dijo Davis.
La investigación publicada en ciencia proporciona la primera prueba directa de que se produce dicho emparejamiento de electrones "selectivo de orbitales".
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 asociarse con cada orbital en los átomos de hierro.Luego, los experimentadores Peter Sprau y Andrey Kostin ambos de Brookhaven Lab y Cornell usaron un microscopio de túnel de exploración en el Centro de Superconductividad Emergente, un Centro de Investigación de la Frontera Energética del DOE en Brookhaven Lab, para medir la energía y el momento de los electrones en el seleniuro de hierro.muestras que fueron sintetizadas 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 provienen", dijo Davis.
"Pudimos demostrar que casi todos los electrones en los pares de Cooper en el seleniuro de hierro provenían de un orbital particular de menor energía el orbital d_yz", dijo Davis. Los hallazgos también implican que el electrón en el orbital más externo del hierro.El seleniuro exhibe virtualmente propiedades aislantes, tal como lo hace en los compuestos de óxido de cobre.
"Debido a que el seleniuro de hierro normalmente exhibe una buena conductividad metálica, ¿cómo se podría saber que los electrones en este orbital están actuando como aislantes correlacionados? ¡Este estado fuertemente interactivo y prácticamente aislante se ocultaba 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 esos paresLa gran diferencia es que en el seleniuro de hierro, estas contribuciones provienen de diferentes electrones en tres orbitales activos separados, en lugar del electrón único en un orbital activo en cobre.
"En el hierro tienes la conductividad gratis. Y tienes el magnetismo gratis, pero está basado en un electrón diferente. Ambos coexisten en el mismo átomo", dijo Davis. Entonces, una vez que tienes pares de Cooper, parece que no haynecesita agregar agujeros para que la corriente fluya.
Esta realización puede ampliar la búsqueda de nuevos superconductores que potencialmente puedan operar en condiciones más cálidas. Tales superconductores de alta temperatura más altos serían más prácticos para aplicaciones de ahorro de energía en el mundo real, 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 hacer superconductores de alta temperatura, tal vez deberíamos buscar nuevos materiales metálicos altamente magnéticos que tengan propiedades como el hierro pero en una disposición orbitalmente selectiva", dijo Davis"Esto abre el mundo de la ciencia de los materiales a muchos tipos nuevos de materiales que podrían ser superconductores de alta temperatura".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Brookhaven . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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