Hay una perturbación literal en la fuerza que altera lo que los físicos han pensado 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 de hierro, sodio, hierro, níquel y arsénico.
Estas distorsiones locales se observaron entre el orden atómico simétrico en el material a temperaturas ultra frías cerca del punto de superconductividad óptima. Indican que los investigadores pueden tener cierto margen de maniobra mientras trabajan para aumentar la temperatura a la que las pnictidas 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 Estados Unidos, Alemania y China.
Dai y Nevidomskyy, ambos miembros del Centro Rice para Materiales Cuánticos RCQM, están interesados en los procesos fundamentales que dan lugar a nuevos fenómenos colectivos como la superconductividad, que permite que los materiales transmitan corriente eléctrica sin resistencia.
Los científicos encontraron originalmente la superconductividad a temperaturas extremadamente frías que permiten que los átomos cooperen de maneras que no son posibles a temperatura ambiente. Incluso los superconductores de "alta temperatura" conocidos alcanzan un máximo de 134 Kelvin a presión ambiente, equivalente a menos 218 grados Fahrenheit.
Entonces, si hay alguna esperanza para el uso práctico generalizado de la superconductividad, los científicos deben encontrar lagunas en la física básica de cómo se comportan los átomos y sus constituyentes en una variedad de condiciones.
Eso es lo que los investigadores de Rice han hecho con la pnictida de hierro, un "superconductor no convencional" de sodio, hierro y arsénico, especialmente cuando se dopa 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 red; segundo, una transición magnética que parece convertir los materiales paramagnéticos en antiferromagnéticos en los que los átomos giranalinearse en direcciones alternativas y, en tercer lugar, 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 en el sistema comienzan a unirse en pares de Cooper, alcanzando 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 descubrieron 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 que significa "como hilo" y es similara 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 las pnictidas 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 sondispuestos como cubos que se han estirado en una dirección. Una estructura ortorrómbica tiene forma de ladrillo.
Se sabe que los cristales de pnictido 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 bien las regiones ortorrómbicas anómalaspor encima de esa temperatura de transición estructural. Esto ocurrió en muestras que se doparon mínimamente con níquel y persistieron cuando los materiales se doparon en exceso, informaron.
"En la fase tetragonal, las direcciones cuadradas A y B de la red son absolutamente iguales", dijo Dai, quien realizó experimentos de dispersión de neutrones para caracterizar el material en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge, el Instituto Nacional de Estándares y TecnologíaCentro de Investigación de Neutrones y la Fuente de Investigación de Neutrones en el Centro Heinz Maier-Leibnitz.
"Cuando se enfría, inicialmente se vuelve ortorrómbico, lo que significa que la red se colapsa espontáneamente en un eje, y aún así no hay un orden magnético. Descubrimos que al medir con precisión este parámetro de red y su distorsión de dependencia de la temperatura, pudimospara decir cómo cambia la red en función de la temperatura en el régimen tetragonal paramagnético "
Se sorprendieron al ver bolsas de una fase nemática superconductora sesgando la red hacia la forma ortorrómbica, incluso por encima de la primera transición.
"Todo el documento sugiere que hay distorsiones locales que aparecen a una temperatura a la que el sistema, en principio, debería ser tetragonal", dijo Dai. "Estas distorsiones locales no solo cambian en función de la temperatura sino que en realidad 'saben' sobresuperconductividad. 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 alrededor del 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 se ven atrapadas por las imperfecciones e impurezas de los cristales locales, manifestándose en las distorsiones locales que medimos", dijo Nevidomskyy, quien dirigió el lado teórico dela investigación: "El aspecto más intrigante es que la superconductividad es más fuerte cuando esto sucede, lo que sugiere que estas fluctuaciones nemáticas son fundamentales en su formación".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Rice . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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