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| Crédito: CC0 Dominio Público |
La formación de nematicidad en FeSe sigue siendo una importante cuestión abierta para comprender la superconductividad no convencional en presencia de orden nemático.
El término "nematicidad" deriva de la palabra griega "nema", que significa "hilo", y se utiliza para denotar hebras conceptuales como fenómenos físicos coordinados. En los últimos años, los físicos han adoptado el término "nematicidad" para caracterizar un cambio coordinado que hace que un material se convierta en superconductor.
Nematicidad" es un término que los físicos han adoptado recientemente para describir un cambio coordinado que impulsa a una sustancia hacia un estado superconductor. Las fuertes interacciones electrón-electrón hacen que el material se estire infinitesimalmente en una dirección, como labios microscópicos, permitiendo que los electrones fluyan libremente en esa dirección. El tipo de interacción que provoca el estiramiento ha sido un gran misterio.
En algunos materiales basados en el hierro, este estiramiento se debe a que los átomos cambian espontáneamente sus espines magnéticos para apuntar en la misma dirección. Por ello, los científicos suponen que la transición impulsada por el espín se produce en la mayoría de los superconductores de hierro.
En condiciones extremas, los materiales pueden atravesar una "transición nemática" que desencadena un nuevo comportamiento superconductor. Este cambio estructural, denominado "transición nemática", presenta una nueva estrategia para llevar los materiales al estado superconductor, en el que los electrones pueden moverse sin resistencia.
La clave para explicar cómo un tipo de superconductor experimenta una transición nemática ha sido descubierta por físicos del MIT, y es muy diferente de lo que muchos científicos esperaban.
El seleniuro de hierro (FeSe), una sustancia bidimensional que es el superconductor de hierro de mayor temperatura, fue el objeto del descubrimiento de los investigadores. A diferencia de la mayoría de los materiales superconductores, éste se vuelve superconductor a temperaturas de hasta 70 kelvins, o unos -300 grados Fahrenheit.
El potencial de uso de un material en el mundo real, como electroimanes potentes para escáneres de resonancia magnética más precisos y ligeros o trenes rápidos que levitan magnéticamente, aumenta con la temperatura a la que puede mostrar superconductividad.
Sin embargo, los científicos deben determinar qué causa una transición nemática en superconductores de alta temperatura como el seleniuro de hierro. Los científicos han observado que este giro se produce en diversos materiales superconductores basados en el hierro cuando átomos individuales alteran bruscamente su espín magnético hacia una dirección magnética coordinada y favorecida.
Los investigadores del MIT descubrieron que el seleniuro de hierro cambia de dirección mediante un proceso totalmente nuevo. En lugar de un cambio coordinado en los espines, los átomos de seleniuro de hierro experimentan un cambio colectivo en la energía orbital. Esta distinción abre la puerta al descubrimiento de nuevos superconductores.
Riccardo Comin, catedrático asociado de Física de la promoción de 1947 del MIT, afirma: "Nuestro estudio cambia un poco las cosas respecto al consenso creado sobre lo que impulsa la nematicidad. Hay muchas vías para llegar a la superconductividad no convencional. Esto ofrece una vía adicional para realizar estados superconductores".
Este estiramiento parece desencadenado por átomos que alteran espontáneamente sus espines magnéticos para apuntar en la misma dirección en algunos materiales basados en el hierro. El seleniuro de hierro, por su parte, parece desafiar esta tendencia al pasar a un estado superconductor a la temperatura más elevada de todos los materiales basados en hierro.
Sánchez, investigador postdoctoral del MIT y becario MPS-Ascend de la NSF, afirma: "El seleniuro de hierro es el que tiene la historia menos clara de todos estos materiales. En este caso, no hay orden magnético. Por lo tanto, para entender el origen de la nematicidad hay que estudiar con mucho cuidado cómo se organizan los electrones alrededor de los átomos de hierro y qué ocurre cuando esos átomos se separan".
En su nueva investigación, los científicos utilizaron trozos milimétricos e increíblemente finos de seleniuro de hierro que adhirieron a una fina tira de titanio. Las muestras de seleniuro de hierro se extendieron estirando físicamente la tira de titanio.
Buscaban cualidades que cambiaran coordinadamente cuando estiraban las muestras una fracción de micra cada vez. Los científicos controlaron el movimiento y el comportamiento de los electrones de cada átomo de cada muestra mediante rayos X ultrabrillantes. Observaron un desplazamiento coordinado de los orbitales de los átomos a partir de un punto determinado.
Los niveles de energía que pueden ocupar los electrones de un átomo se conocen como orbitales atómicos. En el seleniuro de hierro, los electrones pueden ocupar uno de los dos estados orbitales que rodean al átomo de hierro. La decisión de en qué estado residir suele ser aleatoria. Pero al estirar el seleniuro de hierro, el equipo descubrió que sus electrones favorecían abrumadoramente un estado orbital sobre el otro. Esto indicaba una transición distinta y coordinada, una nueva nematicidad y un proceso superconductor.
Según el nuevo estudio, la nematicidad de espín frente a la orbital se rige por varios factores físicos subyacentes, y existe un continuo de materiales entre ambos. A la hora de buscar nuevos superconductores, será crucial saber en qué punto de ese panorama nos encontramos.
Este estudio ha sido financiado por la National Science Foundation, la Oficina de Investigación Científica de las Fuerzas Aéreas y el Departamento de Energía.
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