Muchos teóricos afirman haber resuelto la superconductividad a alta temperatura, pero ninguna de estas propuestas está respaldada universalmente por experimentos y / o aceptada universalmente por la comunidad investigadora. Además de la superconductividad, uno de los grandes enigmas en los superconductores de alta temperatura de cuprato es la fase electrónica que existe a temperaturas superiores a la temperatura de transición superconductora Tc, como se muestra en el diagrama de fases a continuación. Esta fase enigmática se llama ‘pseudogap’ y se manifiesta en casi todas las medidas experimentales de propiedades electrónicas (resistividad, RMN, fotoemisión, STM, etc.). Comprender el pseudogap es un requisito previo crucial para explicar por qué se forma la superconductividad y, como tal, muchas teorías se centran en esta cuestión.
Imagen realizada por Inna Vishik.
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Mis comentarios a continuación se refieren a la superconductividad a altas temperaturas en los cupratos, no a las pnictidas de hierro (una familia de materiales descubiertos más recientemente con altas temperaturas de transición). Presentaré propuestas para el mecanismo de superconductividad a alta temperatura en los cupratos, pero resulta que una minoría de la teoría en este campo está explícitamente en esta pregunta, por lo que también destacaré las tendencias teóricas recientes que podrían no responder específicamente al ‘por qué ‘y’ cómo ‘de alta Tc. Muchas ideas se quedarán fuera, ya que este es un campo que abarca 28 años y más de 200,000 publicaciones. Con suerte, algunos teóricos o personas familiarizadas con las ideas que omití también influirán.
Teorías en alta Tc (en cronología semi-hacia atrás):
- Uno de los descubrimientos más publicitados en cupratos en los últimos años ha sido la observación de correlaciones de onda de densidad de carga de corto alcance por encima (y por debajo) de la Tc en casi todos los cupratos. Se especula que esta podría ser la respuesta al origen del pseudogap, aunque la fenomenología no coincide exactamente. En cualquier caso, varios teóricos, incluidos Steve Kivelson (arXiv.org Search) y Subir Sachdev (arXiv.org Search) están explorando por qué se desarrolla el orden de carga en los cupratos, cómo se relaciona con la superconductividad y cómo afecta a la superconductividad (y viceversa). Una línea de investigación relacionada, promovida por Kivelson y su progenie académica, es el “orden nemático”, que es una onda de densidad de carga similar a un cristal líquido nemático, con direccionalidad pero sin orden posicional. Otra vía relacionada es el estudio de ‘rayas’, que son un tipo de onda de densidad de giro y carga que se observó en una familia de cupratos y se exploró ampliamente a lo largo de la historia de los cupratos (artículo de revisión: [1305.4118] Spins, Stripes , y Superconductividad en Cuprates Dopados con Agujero). Otra propuesta relacionada para el origen del pseudogap, promovida por Bob Laughlin y Sudip Chakravarty a principios de la década de 2000 es el orden de ondas de densidad d ([cond-mat / 0005443] Orden oculto en los cupratos).
- Recientemente, Bob Laughlin, un premio Nobel, ha pretendido calcular el diagrama de fase de cuprato completo a través de un enfoque de Hartree-Fock: [1306.5359] Cálculo de Hartree-Fock del diagrama de fase de cuprato de alta Tc. Science publicó un artículo sobre este trabajo, que destaca la interesante sociología de este campo: Science Magazine – 20 de diciembre de 2013
- Chandra Varma es un defensor del orden de corriente de bucle (arXiv.org Search), que es un tipo de orden orbital que no rompe la simetría traslacional. Está respaldado por experimentos de dispersión de neutrones.
- Patrick Lee en el MIT tiene una teoría llamada “emparejamiento ampereano” para explicar la fase de pseudogap y otros aspectos de la literatura experimental. En esta teoría, el pseudogap es una especie de superconductor sin coherencia de fase donde los pares de Cooper tienen un momento neto (en la mayoría de los superconductores, el momento neto es cero).
- La fluctuación de giro media la superconductividad. La proximidad del orden antiferromagnético a la superconductividad en el diagrama de fase de cuprato sugiere que la física relacionada con las fluctuaciones magnéticas puede ser importante para la superconductividad. Además, este mecanismo de emparejamiento favorecería la simetría observada [matemática] d_ {x ^ 2-y ^ 2} [/ matemática] de la brecha superconductora en cupratos, aunque no es el único mecanismo para lograr esa simetría de emparejamiento. No estoy seguro exactamente quiénes son / fueron los principales defensores de esta teoría.
- Superconductividad mediada por fluctuaciones relacionadas con un punto crítico cuántico. Un punto crítico cuántico es una transición de fase de segundo orden que se empuja a temperatura cero, mediante un parámetro de control no térmico. En el diagrama de fase anterior, el parámetro de control no térmico es el dopaje, pero la presión o el campo magnético pueden cumplir esa función en otros materiales. En los cupratos, así como en otros superconductores no convencionales (fermiones pesados, pnictidas de hierro), la superconductividad parece aparecer cuando se suprime otra fase (a menudo magnética) por dopaje o presión. En muchas propuestas que postulan que el pseudogap en los cupratos es una fase ordenada, está implícito que podría terminar en un punto crítico cuántico que podría estar implicado en causar superconductividad. No existe un defensor singular de esta idea en lo que se refiere a los cupratos, pero Subir Sachdev ha escrito documentos y un libro de texto sobre el tema, y un artículo más “público general” se puede encontrar aquí: [1102.4628] Criticalidad cuántica
- Fluctuaciones superconductoras como el origen del pseudogap. Deben suceder dos cosas para que un material se convierta en un superconductor: los electrones de baja energía se emparejan en pares de Cooper (’emparejamiento’) y los pares de Cooper forman un condensado (‘coherencia de fase’). En los superconductores convencionales, estas dos cosas suceden a casi la misma temperatura, pero se ha sugerido que en el emparejamiento de cupratos podría tener lugar a una temperatura mucho más alta que la coherencia de fase (Importancia de las fluctuaciones de fase en superconductores con pequeña densidad superfluida). Esta propuesta se justifica dada la baja densidad de superfluidos y la naturaleza 2D de los cupratos, y da una explicación de por qué el diagrama de fase se ve así. Sin embargo, no necesariamente explica por qué los pares de Cooper se forman en primer lugar.
- La teoría RVB (enlace de valencia resonante) fue propuesta como una solución a todo el problema de la superconductividad del cuprato por Phil Anderson, otro destacado premio Nobel que trabajó en cupratos, en 1987, solo un año después del descubrimiento de los cupratos ([1011.2736] Personal historia de mi compromiso con la superconductividad de cuprato, 1986-2010).
Editar: Este documento resume muy bien el campo hasta septiembre de 2014: [1409.4673] Superconductividad de alta temperatura en los cupratos
