MAGNETISMO EN SUPERCONDUCTORES DE HIERRO

Los superconductores de hierro son, al igual que los cupratos, superconductores de alta temperatura. Los superconductividad en estos materiales aparece generalmente cuando se suprime un orden magnético mediante la introducción de portadores de carga (electrones o huecos). Por esta razón, para entender el origen de la superconductividad en estos materiales es crucial entender bien cómo surge el orden magnético.

Sin embargo, existen diferencias esenciales entre los superconductores de hierro y los cupratos. Los primeros son sistemas multiorbitales correlacionados en contraste con los cupratos que se modelizan mayoritariamente estudiando las correlaciones en un solo orbital. Los modelos más sencillos para describir las propiedades electrónicas de los superconductores de hierro tienen que incluir los 5 orbitales 3d del hierro (los compuestos no dopados tienen 6 electrones en esos orbitales). Una estimación de las correlaciones en estos materiales viene del hecho de que la masa efectiva de los electrones es mayor (en un factor ~3) que la que da la teoría de bandas. Sabemos, además, que las correlaciones son diferentes para los distintos orbitales involucrados. Esta complejidad tiene consecuencias importantes para los superconductores de hierro.

La fase magnética de los superconductores de hierro no es nada trivial. A diferencia de los cupratos que son siempre antiferromagnéticos tipo tablero de ajedrez, aparecen distintos órdenes con preponderancia de un orden antiferromagnético anisótropo (ferromagnético en una dirección y antiferromagnético en la otra dirección del plano de los átomos de hierro). El magnetismo está también relacionado con una transición estructural. Diversos experimentos (resistividad, espectroscopías, rayos X…) han mostrado que estos sistemas son anisótropos con una fase nemática entre la transición magnética y la estructural. Hay un debate en la comunidad para determinar cuál es el origen de estas anisotropías en el que los principales candidatos son el grado de libertad orbital y el de espín. Curiosamente los cupratos también tienen una fase nemática aunque probablemente de origen microscópico diferente.

Se han propuesto diferentes mecanismos para explicar el magnetismo de estos materiales que parten de suponer distintos grados de correlaciones entre los electrones. En este trabajo hemos hecho una revisión de las distintas aproximaciones teóricas al estudio de la fase magnética de los superconductores de hierro. Teniendo en cuenta correctamente el grado de libertad orbital y comparando con resultados experimentales podemos localizar las distintas familias de superconductores de hierro en un único diagrama de fases. Los pnicturos de hierro (con planos FeAs) se encontrarían a caballo entre una región del diagrama de fases donde se podría entender el magnetismo como una consecuencia de la estructura electrónica cerca del nivel de Fermi y otra donde la diferenciación entre orbitales (que tienen correlaciones diferentes) juega un papel importante. Por otro lado, los calcogenuros (con planos FeSe) son más correlacionados y se encontrarían en la región dominada por la diferenciación orbital. Incluir correctamente los orbitales en la descripción es también fundamental para entender el origen de las anisotropías.

De izquierda a derecha y de arriba a abajo: Diagrama de fases magnético en función de las interacciones Hubbard (U) y acoplamiento Hund (JH); estructura de los planos de Fe; orden orbital (llenado del orbital yz menos el llenado del orbital zx); superficie de Fermi típica con el detalle del contenido orbital; llenado por orbital en función de U.  ICMM-CSIC.

De izquierda a derecha y de arriba a abajo: Diagrama de fases magnético en función de las interacciones Hubbard (U) y acoplamiento Hund (JH); estructura de los planos de Fe; orden orbital (llenado del orbital yz menos el llenado del orbital zx); superficie de Fermi típica con el detalle del contenido orbital; llenado por orbital en función de U.
ICMM-CSIC.

Magnetic interactions in iron superconductors: A review.
E. Bascones, B. Valenzuela, M.J. Calderón. arXiv:1503.04223.
(artículo escrito por invitación).

Página de divulgación sobre superconductividad.