Los óxidos de paladio podrían ser mejores superconductores

May 27, 2023

Los paladados, materiales de óxido basados ​​en el elemento paladio, podrían usarse para fabricar superconductores que funcionen a temperaturas más altas que los cupratos (óxidos de cobre) o los niquelatos (óxidos de níquel), según cálculos realizados por investigadores de la Universidad de Hyogo, Japón, TU Wien y colegas. El nuevo estudio identifica además dos palladatos como "prácticamente óptimos" en términos de dos propiedades importantes para los superconductores de alta temperatura: la fuerza de correlación y las fluctuaciones espaciales de los electrones en el material.

Los superconductores son materiales que conducen la electricidad sin resistencia cuando se enfrían por debajo de cierta temperatura de transición, Tc. El primer superconductor que se descubrió fue el mercurio sólido en 1911, pero su temperatura de transición es solo unos pocos grados por encima del cero absoluto, lo que significa que se requiere refrigerante de helio líquido costoso para mantenerlo en la fase superconductora. Varios otros superconductores "convencionales", como se les conoce, se descubrieron poco después, pero todos tienen valores de Tc igualmente bajos.

Sin embargo, a fines de la década de 1980, surgió una nueva clase de superconductores de "alta temperatura" con Tc por encima del punto de ebullición del nitrógeno líquido (77 K). Estos superconductores "no convencionales" no son metales sino aislantes que contienen óxidos de cobre (cupratos), y su existencia sugiere que la superconductividad puede persistir incluso a temperaturas más altas. Recientemente, los investigadores han identificado materiales basados ​​en óxidos de níquel como buenos superconductores de alta temperatura en la misma línea que sus primos de cuprato.

Un objetivo principal de esta investigación es encontrar materiales que sigan siendo superconductores incluso a temperatura ambiente. Dichos materiales mejorarían en gran medida la eficiencia de los generadores eléctricos y las líneas de transmisión, al mismo tiempo que simplificarían y abaratarían las aplicaciones comunes de la superconductividad (incluidos los imanes superconductores en los aceleradores de partículas y los dispositivos médicos como los escáneres de resonancia magnética).

La teoría clásica de la superconductividad (conocida como teoría BCS por las iniciales de sus descubridores, Bardeen, Cooper y Schrieffer) explica por qué el mercurio y la mayoría de los elementos metálicos son superconductores por debajo de su Tc: sus electrones fermiónicos se emparejan para crear bosones llamados pares de Cooper. Estos bosones forman un condensado de fase coherente que puede fluir a través del material como una supercorriente que no experimenta dispersión y, como resultado, aparece la superconductividad. Sin embargo, la teoría se queda corta cuando se trata de explicar los mecanismos detrás de los superconductores de alta temperatura. De hecho, la superconductividad no convencional es un problema fundamental sin resolver en la física de la materia condensada.

Para comprender mejor estos materiales, los investigadores necesitan saber cómo se correlacionan los electrones de estos metales de transición 3d y con qué fuerza interactúan entre sí. Los efectos de fluctuación espacial (que se ven reforzados por el hecho de que estos óxidos se fabrican típicamente como materiales bidimensionales o de película delgada) también son importantes. Si bien se pueden usar técnicas como las perturbaciones diagramáticas de Feynman para describir tales fluctuaciones, se quedan cortas cuando se trata de capturar efectos de correlación como la transición metal-aislante (Mott), que es una de las piedras angulares de la superconductividad a alta temperatura.

Aquí es donde entra en juego un modelo conocido como teoría dinámica del campo medio (DMFT). En el nuevo trabajo, los investigadores dirigidos por el físico de estado sólido Karsten Held de TU Wien utilizaron las llamadas extensiones esquemáticas de DMFT para estudiar el comportamiento superconductor de varios compuestos de paladato.

Los superconductores de cuprato contienen un componente extraño

Los cálculos, que se detallan en Physical Review Letters, revelan que la interacción entre los electrones debe ser fuerte, pero no demasiado fuerte, para lograr altas temperaturas de transición. Ni los cupratos ni los niquelatos están cerca de esta interacción óptima de tipo medio, pero los palladatos sí lo están. "El paladio está directamente una línea debajo del níquel en la tabla periódica", observa Held. "Las propiedades son similares, pero los electrones están, en promedio, algo más alejados del núcleo atómico y entre sí, por lo que la interacción electrónica es más débil".

Los investigadores descubrieron que, si bien algunos pallados, en particular RbSr2PdO3 y A′2PdO2Cl2 (A′=Ba0.5La0.5), son "prácticamente óptimos", otros, como NdPdO2, tienen una correlación demasiado débil. "Nuestra descripción teórica de la superconductividad ha alcanzado un nuevo nivel", dice Motoharu Kitatani de la Universidad de Hyogo a Physics World. "Estamos seguros de que nuestros colegas experimentales ahora intentarán sintetizar estos materiales".