Observación de vórtices en el material superconductor β-Bi2Pd

En muchos materiales superconductores, la densidad de estados (el número de estados por unidad de energía, DOS por sus siglas en inglés) se anula por debajo de un valor de energía característico de cada material, el gap superconductor. El valor del gap y su dependencia en función de la estructura de bandas es una propiedad distintiva de cada material. Algunos materiales muestran múltiples gaps, asociados a diferentes bandas que cruzan el nivel de Fermi. Éste es un caso que despierta cierto interés, dado que pueden ocurrir fenómenos nuevos (como modos resonantes internos, llamados modos de Leggett, y se favorecen el aumento de los valores críticos de temperatura y campo magnético, de interés para las aplicaciones.

 En los superconductores de tipo II el campo magnético penetra en forma de vórtices, cada uno portando un cuanto de flujo. El gap superconductor disminuye gradualmente, hasta anularse en el centro del vórtice. Este fenómeno ocurre en distancias del orden de la longitud de coherencia del superconductor, que es de tan solo unas decenas e incluso unidades de nanómetros. Dadas las pequeñas distancias involucradas, las excitaciones dentro del vórtice están cuantizadas (Phys. Rev. B, 77, 134505 (2008), Phys. Lett. 9, 307, (1964) ). Esto se puede utilizar para obtener información útil sobre las propiedades del superconductor, dado que la cuantización modifica sustancialmente la dependencia espacial de la DOS alrededor del centro del vórtice. Dicha dependencia es un indicador sensible, por lo tanto, de la presencia de múltiples gaps.

Fig GEFES def

Izquierda: Imagen de la red de vórtices para un campo de 0.2 T aplicado paralelo al eje-c en β-Bi2Pd tomada a 150 mK. El inset muestra una imagen de topografía donde se observa la red cuadrada de átomos de Bi en el plano-ab. Derecha: Fotografía de cristales de β-Bi2Pd crecidos por el método de exceso de flujo en el laboratorio de preparación de muestras del LBTUAM.

 En el laboratorio de bajas temperaturas de la Universidad Autónoma de Madrid (LBTUAM) hemos sintetizado monocristales de un superconductor con una estructura en capas, donde intuíamos que podrían presentarse diferentes bandas cruzando el nivel de Fermi. El compuesto es  β-Bi2Pd. Después de conseguir monocristales (figura), observamos los vórtices y estudiamos la DOS alrededor del centro de los vórtices por medio de un microscopio de efecto túnel en un criostato de dilución de helio 3 en helio 4 (fabricado parcialmente en el LBTUAM y el Segainvex). Observamos que la DOS en el punto medio entre vórtices es mayor que el valor predicho para un material con un solo gap superconductor. Sin embargo, observamos un solo gap en la DOS a campo cero. Analizando teóricamente el campo magnético crítico (campo magnético en el cual desaparece la superconductividad), encontramos evidencias que existen varias bandas que cruzan el nivel de Fermi, resultado que está de acuerdo con experimentos de fotoemisión realizados en Oxford en nuestros cristales (por publicar). Observamos también que la orientación de la red de vórtices se ve influenciada por la simetría de la red cristalina del material, un aspecto que solo se puede explicar por una influencia fuerte de la estructura electrónica en las propiedades de los vórtices. Concluimos que  β-Bi2Pd es un superconductor multibanda en el que la interacción entre diferentes bandas es muy fuerte, lo cual da un solo gap superconductor. Nuestros experimentos demuestran que la observación de superconductividad con múltiples gaps requiere, además de varias bandas que cruzan el nivel de Fermi, la ausencia de interacción electrónica entre bandas.

E. Herrera, I. Guillamón, J. A. Galvis, A. Correa, A. Fente, R. F. Luccas, F. J. Mompean, M. García-Hernández, S. Vieira, J. P. Brison, and H. Suderow. Magnetic field dependence of the density of states in the multiband superconductor β−Bi2Pd. Phys. Rev. B 92, 054507.

Edwin Herrera Vasco (LBTUAM)