Va ocórrer fa deu anys, per sorpresa, com quasi sempre ocorre en l’àmbit de la superconductivitat. El grup del professor Hosono a Tòquio intentava millorar les propietats de materials per al seu ús en pantalles d’ordinadors i televisors. Entre els compostos en estudi estava el LaFeAsO. La sorpresa va sorgir quan es va canviar lleugerament la composició d’aquest material en substituir alguns àtoms d’oxigen per fluor. En fer aquest canvi s’estaven afegint portadors de corrent elèctric, la qual cosa en l’argot científic coneixem com a dopar. Van observar que en abaixar la temperatura del compost dopat la resistència al corrent elèctric descendia a zero de manera abrupta a 26 kelvin (-247 ⁰C) i anava acompanyada d’un senyal magnètic que indicava que per davall d’aquesta temperatura el material era superconductor. Aquest descobriment es va incloure entre els deu descobriments més importants realitzats en 2008 en tot el món.
En les setmanes que van seguir al descobriment es va produir una voràgine científica poc comuna liderada per la comunitat científica xinesa, que fins aleshores era poc coneguda en aquesta àrea. Recorde que arribava cada dia al despatx impacient per veure quines novetats hi havia. Es van descobrir molts nous materials que eren superconductors a temperatures de fins a 56 kelvin (-217 ⁰C). Els nous superconductors contenien idèntiques capes de ferro i arsènic. Posteriorment es descobririen també superconductors amb capes de ferro i seleni.
Els superconductors són materials que expulsen els camps magnètics i pels quals el corrent elèctric flueix sense presentar resistència, al contrari del que passa en els cables de coure. Actualment trobem superconductors en els aparells de ressonància magnètica dels hospitals, en els grans acceleradors de partícules com el CERN, en els detectors més sensibles de camps magnètics, i comencen a utilitzar-se en els molins de vent. Si pogueren substituir-se els actuals cables de coure per superconductors sense pèrdues d’energia o utilitzar-se en la fabricació de motors de manera habitual, la nostra vida canviaria notablement.
La superconductivitat apareix només per davall d’una temperatura crítica a què es produeix una transició de fase. Fins a 1985 tots els superconductors coneguts tenien temperatures crítiques inferiors als 25 kelvin (-248 ⁰C). Contra tot pronòstic, en 1986 es va descobrir superconductivitat d’alta temperatura en òxids de coure, habitualment anomenats cuprats. La importància del descobriment va ser tal que tan sols un any després els seus descobridors, Berdnorz i Müller, van rebre el Premi Nobel. La temperatura crítica en aquests compostos pot arribar a ser de fins a aproximadament -140 ⁰C, la qual cosa facilita notablement el seu ús en aplicacions.
Il·lustració de Isabel de Olano — isabeldeolano.com
A la temperatura crítica l’estat dels electrons es veu dramàticament alterat. Els electrons formen parells, anomenats parells de Cooper, i tots aquests parells es mouen coordinadament. Els electrons són partícules carregades negativament que es repel·leixen, per la qual cosa és necessari algun mecanisme que faça que s’atraguen. En la seua teoria BCS de 1957, Bardeen, Cooper i Schrieffer van explicar que l’atracció entre els electrons i els ions de la xarxa estaven darrere de la formació dels parells de Cooper, és el que anomenem superconductivitat deguda a fonons. Aquesta teoria va funcionar bé en els centenars de superconductors que es coneixien durant més de vint anys. Des del primer moment es va veure que el mecanisme de fonons de la teoria BCS no explicava la superconductivitat en aquests materials. De fet en aquella època es creia que la teoria BCS no podia explicar temperatures crítiques altes, encara que actualment sabem que açò no és cert.
En realitat, els cuprats no van ser els primers superconductors a desafiar la teoria. A finals dels anys setanta ja van començar a aparéixer compostos amb temperatura crítica baixa en els quals la superconductivitat no pareixia poder explicar-se amb el mecanisme de fonons de la teoria BCS. Entre aquests hi havia materials orgànics i altres anomenats de fermions pesants perquè els electrons es comporten com si tingueren una massa molt gran.
En tots aquests compostos la repulsió entre els electrons té conseqüències molt importants. A més de la superconductivitat, trobem altres fases electròniques, algunes magnètiques, altres anisòtropes i fins i tot estats encara sense identificar. La repulsió entre els electrons pot arribar a fer que els electrons es localitzen i els cuprats esdevinguen aïllants. Tenint en compte que la superconductivitat involucra la formació de parells d’electrons, és paradoxal que els sistemes en què la repulsió electrònica és tan forta puguen tenir altes temperatures crítiques.
Les propietats dels cuprats són especialment anòmales. Malgrat el gran esforç de la comunitat científica que convertia aquests materials en els més estudiats de la història, vint anys després del seu descobriment, ni moltes de les seues propietats ni l’origen de la superconductivitat d’alta temperatura s’entenia. Tampoc s’havien descobert altres materials superconductors d’alta temperatura crítica.
En aquest context s’emmarca el descobriment de Hosono i el seu grup de la segona família de superconductors d’alta temperatura: els superconductors basats en ferro. La temperatura crítica del LaFeAsO dopat de 26 kelvins podria no semblar molt alta, i ja aleshores es coneixien superconductors convencionals amb una temperatura superior. No obstant això, des del principi va estar clar que aquest superconductor era no convencional. En particular, com en els cuprats, els superconductors orgànics i els fermions pesants, es va veure que la superconductivitat apareixia en suprimir una fase magnètica.
A més de la nova via que s’obria de descobrir nous materials amb altes temperatures crítiques, s’esperava poder entendre què passava en els cuprats. Però no ha sigut tan fàcil. En aquests deu anys d’intensa investigació en superconductors de ferro han sorgit nous fronts i propietats inesperades. Encara no comprenem aquests materials. La major part de la comunitat científica creu que l’origen de la superconductivitat en aquests sistemes està relacionat amb la fase magnètica de la qual emergeix. El dubte és com entra aquesta fase magnètica i quin paper tenen en la superconductivitat i altres propietats les fortes correlacions electròniques i els altres estats electrònics, en particular els anisòtrops que solen rondar la fase superconductora.
Takashi Takahashi
Fa tres anys, la comunitat científica es va veure de nou sorpresa pel descobriment de superconductivitat en H3S a quasi 200 K, però pressions extremament altes. Aquest superconductor segueix la teoria BCS dels fonons, i fins i tot havia sigut predit. Per això en pocs mesos hi hegué consens en la comunitat científica sobre l’origen de la superconductivitat i altres propietats d’aquests materials.
Mentrestant els superconductors no convencionals amb fortes correlacions electròniques continuen desafiant-nos.
No comments yet.