Editar: este documento fue publicado en Nature en agosto de 2015: página en nature.com. La respuesta a continuación se basó en las preimpresiones.
El documento: [1412.0460] Superconductividad convencional a 190 K a altas presiones
(editar 17/7/2015): [1506.08190] Superconductividad convencional a 203 K a altas presiones
El significado: esta es la Tc superconductora legítima más alta * jamás reportada
- Si una motocicleta, un automóvil y un autobús viajaran a la misma velocidad (por ejemplo, 60 mph), comenzando al mismo tiempo en una pista de carreras paralela, ¿llegarían todos a su destino exactamente al mismo tiempo?
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El mecanismo: la superconductividad convencional de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) mediada por el acoplamiento electrón-fonón
La evidencia:
- La resistividad va a cero
- El campo magnético reduce la temperatura donde la resistividad cae en picado (la superconductividad es suprimida por el campo magnético)
- Efecto isotópico: la Tc disminuye cuando se usan isótopos más pesados (sugiere que la superconductividad está mediada por el acoplamiento electrón-fonón)
- Diamagnetismo (comienza a 203K)
El veredicto: la literatura sobre superconductividad está llena de USO (objetos superconductores no identificados) que insinúan la superconductividad a alta temperatura, pero esto no parece ser uno de ellos: parece convincente. Aunque este documento no intenta medir el diamagnetismo, brinda tres pruebas robustas de evidencia experimental de que en realidad están mirando un superconductor real. Con todo el enfoque en los superconductores de alta temperatura ‘no convencionales’ en las últimas tres décadas, es interesante que el primer aumento en el Tc récord mundial logrado en dos décadas ** se produzca por un mecanismo ‘convencional’ (aunque a alta presión). El hecho de que este material tenga una Tc tan alta no es exactamente una física nueva, pero mi mente todavía está asombrada.
El spiel más largo:
Existe la idea errónea de que el mecanismo “ordinario” de la superconductividad –electrones que forman pares de Cooper mediante interacciones con vibraciones reticulares (fonones) – no puede producir una Tc alta. Para los superconductores de alta temperatura más conocidos, esto es cierto, pero una vez que usa átomos de luz, todas las apuestas están apagadas.
En superconductores BCS (ordinarios), Tc puede (generalmente) expresarse como
[matemáticas] T_c \ propto \ hbar \ omega_D e ^ {- 1 / g_ {eff} N (E_F)} [/ matemáticas]
Aquí, [math] g_ {eff} [/ math] es una constante de acoplamiento de electrón-fonón promediada y [math] N (E_F) [/ math] es la densidad de estados en el nivel de Fermi. Sin embargo, el parámetro más intuitivo importante para esta respuesta es [math] \ omega_D [/ math], que es la frecuencia de Debye. Esta es la frecuencia de fonones máxima teórica en un sólido. Si los átomos en un cristal se imaginan como masas en un resorte, la frecuencia de Debye será grande para átomos ligeros y pequeña para átomos pesados.
Como consecuencia de la fórmula anterior, se espera que el diamante (si se pueden eliminar los defectos) tenga una Tc de ~ 100K cuando se dopa con boro para hacer un metal, y se espera que el hidrógeno atómico metálico sea un superconductor a temperatura ambiente , si Se puede presurizar a 500 GPa. En el artículo al que se hace referencia en estas preguntas, los autores estudiaron H2S, que tiene una gran frecuencia de Debye debido al hidrógeno cuando se metaliza a alta presión. Los autores sostienen que en su conjunto de datos donde observan la Tc más alta, probablemente estén buscando hidruros de orden superior (producidos por la disociación de H2S), como H3S o H4S.
Los tiros de dinero. Izquierda: resistencia frente a temperatura para H2S (hidruro de azufre) y D2S (deuteruro de azufre) a una presión similar, mostrando una resistencia que va (casi) cero a Tc. La Tc más baja de este último se debe a que el deuterio es más pesado, como lo predice la teoría BCS. Panel inferior: amplíe la porción de temperatura más baja para mostrar que la resistividad realmente llega a casi cero. Tenga en cuenta las enormes presiones utilizadas en estos experimentos. Derecha: resistencia frente a temperatura para diferentes campos magnéticos, lo que muestra que el campo magnético hace que la Tc disminuya.
Hay una tendencia a que la gente descarte estos resultados porque es una mierda santa que es un montón de presión ***. Sin embargo, para un físico, la presión no es tan importante. Técnicamente, por supuesto, es un experimento tremendamente difícil, pero conceptualmente, la física fundamental no cambia, aparte del hecho de que los átomos se acercan entre sí. Muchas veces, inicialmente se observa un efecto interesante a alta presión, pero luego se puede lograr lo mismo a presión ambiental reemplazando átomos con otros átomos de diferente tamaño, o estabilizando un espacio de celosía diferente en una película delgada (aunque esto probablemente ganó ‘ Puede ocurrir con H2S a estas presiones). Al ver cómo una serie de afirmaciones falsas o circunstanciales de superconductividad a alta temperatura han recibido atención de los medios en el pasado, estoy encantado de que los científicos finalmente puedan informar un resultado correcto de Tc superconductora que rompe récords.
Y felicitaciones a Alex K. Chen por estar al tanto de este artículo.
* El primer artículo informó el inicio de Tc (donde la resistividad comienza a disminuir), que es la métrica más generosa. Pero incluso con métricas menos generosas (punto medio de transición; R = 0), sigue siendo la Tc más alta. Un trabajo de seguimiento mostró el inicio del diamagnetismo a 203K. Esto es extraño porque la Tc resistiva es casi siempre más alta que la Tc diamagnética. La superconductividad de H2S parece ser muy sensible al procedimiento de presurización, por lo que tal vez esa sea la explicación.
** El récord anterior, alcanzado en 1993, fue 133K ambiente / 164K bajo presión, en un compuesto de óxido de cobre
*** 200 GPa son casi 2 millones de atmósferas. Es la mitad de la presión en el núcleo de la tierra, pero menor que las presiones máximas logradas por dispositivos hechos por el hombre (300 GPa en células de yunque de diamante similares a las utilizadas en estos experimentos, 5 TPa en los experimentos de fusión de National Ignition Facility, varios cien TPa en una detonación de bomba nuclear)
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