Los superconductores de hierro en el March Meeting de Baltimore 2016

Por Leni Bascones, ICMM-CSIC.

Ocho años después de que se descubriera superconductividad de alta temperatura en materiales de hierro, el interés en entender estos compuestos sigue siendo muy alto. Así ha quedado patente en la Conferencia de la American Physical Society celebrada en Baltimore, en la que se han presentado algo más de 180 ponencias, aproximadamente un 5% del total.

Los superconductores de hierro se caracterizan por capas de FeAs (pnicturos) o FeSe (calcogenuros). Además de superconductividad los diagramas de fases presentan magnetismo, generalmente de tipo stripe (antiferromagnetismo en una dirección y ferromagnético en la otra) y una transición estructural a un estado ortorrómbico consecuencia de una transición nemática de origen electrónico.

Durante los primeros años desde que se descubrió la superconductividad en estos compuestos la investigación se centró fundamentalmente en los pnicturos. Como ha quedado claro en el March Meeting, el enfoque actualmente está puesto en los calcogenuros, y muy especialmente en el compuesto más simple de todos: el FeSe. Los problemas que más atención atraen en el caso del FeSe son el estado nemático que se observa en cristales de FeSe y el aumento de la temperatura crítica en monocapas de FeSe crecidas sobre titanato de estroncio (STO).

La diferencia fundamental entre el estado nemático del FeSe y el de los pnicturos es que en el primer caso la transición nemático-estructural no va seguida de una transición antiferromagnética y esto se esperaría en base a las teorías más aceptadas para explicar la nematicidad en estos sistemas basadas en fluctuaciones magnéticas. Desde el punto de vista teórico se han discutido propuestas basadas en órdenes cuadrupolares de espín, orden orbital inducido por fluctuaciones de espín, correlaciones anisótropas debidas al acoplo Hund, frustración magnética, y un posible estado llamado paramagneto cuántico. A nivel experimental el énfasis ha estado en suprimir la transición nemática mediante la aplicación de presión o sustituyendo átomos de Se por S (presión química). Aunque en ambos casos se suprime la nematicidad, los dos tipos de presión dan lugar a una fenomenología diferente. Cuando se aplica presión la temperatura crítica superconductora aumenta y aparece una fase magnética, mientras que en el caso de la presión química esto no ocurre. Entre las principales novedades ha estado el estudio de esta fase magnética, que aparece acompañada de una transición estructural de primer orden a un estado ortorrómbico y sería por tanto comparable a la de los pnicturos. Hay evidencias sin embargo que apuntan a que en parte del diagrama de fases, la fase magnética mantendría la simetría tetragonal. Además, se han presentado estudios de la nematicidad con espectroscopía de no equilibrio y se ha señalado la necesidad de revisar el análisis de los experimentos de fotoemisión, muy utilizados en el último año en el estudio de la transición nemática.

El estudio de la superconductividad en monocapas de FeSe se ha centrado en el posible efecto que puedan tener los fonones de la interfaz con el sustrato en el aumento de la temperatura crítica superconductora, a pesar de que la superconductividad se cree que es de origen electrónico. Muy especialmente se han discutido las “replica bands” que se han observado en fotoemisión únicamente en monocapas y que tendrían su origen en este acoplo a los fonones. Siguen sin reproducirse los experimentos que sugerían superconductividad por encima de 100 K en monocapas de FeSe sobre STO. Finalmente se ha propuesto que la ruptura de la simetría de inversión en estas heteroestructuras podría dar lugar a vórtices de espín.

Por otra parte, como forma de dopar el FeSe sin que haya efectos del sustrato, varios grupos están depositando átomos de potasio o sodio sobre la superficie del FeSe. El dopaje, que parece afectar únicamente a la última capa, modifica las correlaciones, suprime la nematicidad y da lugar a un aumento y posterior disminución de la temperatura crítica superconductora, y aparentemente a un estado aislante cuya naturaleza no está clara.

Otros trabajos en FeSe han discutido: la simetría y estructura del parámetro de orden superconductor, que parece ser tipo-s sin nodos y caracterizado por dos gaps diferentes; la aparición de un modo bosónico en el espectro túnel que compara bien con una resonancia observada en el espectro de neutrones y que podría estar relacionado con el origen de la superconductividad; la posibilidad de encontrarse en un crossover entre la descripción BCS y la condensación Bose-Einstein que se originaría en lo pequeño que es el ratio entre la energía de Fermi y el gap superconductors; la fase de Berry o la dimensionalidad de las fluctuaciones superconductores, que parecen ser tridimensionales.

Además del FeSe, el estudio de los calcogenuros ha incluído el compuesto recientemente sintetizado (Li0.8Fe0.2)OHFeSe y en menor medida los calcogenuros dopados con átomos alcalinos. En ambos casos la capa FeSe está dopada con electrones y en la superficie de Fermi no están presentes los pockets de huecos que se creen cruciales en la aparición de la superconductividad. Los estudios se han centrado fundamentalmente en determinar cómo es el parámetro de orden superconductor.

En el caso de los pnicturos las ponencias presentadas se han centrado especialmente en compuestos recientemente sintetizados o poco estudiados: la familia 112 (tipo CaFeAs2) que, además de las capas FeAs, contiene cadenas de arsénico y en Sr2VO3FeAs en el que las capas FeAs están separadas por estructuras de tipo perovskita.

Se ha propuesto que el compuesto padre en la familia 112 sería Ca0.73La0.27FeAs2, que es antiferromagnético y que dopando con cobalto (añadiendo electrones a las capas) se suprime el antiferromagnetismo y aparece la superconductividad. El diagrama de fase incluiría una fase de coexistencia entre estas dos fases y una transición estructural de monoclínica a triclínica, diferente a la habitual que es de una fase tetragonal a una ortorrómbica.

Los experimentos realizados en Sr2VO3FeAs muestran superconductividad a Tc~30-35 K y antiferromagnetismo tipo plaqueta por debajo de ~45-60 K. No está claro sin embargo si el antiferromagnetismo se da en la capa FeAs o es debido momentos localizados en el vanadio. Hay evidencia asimismo de la presencia de una transición a 155 K cuya naturaleza aún se desconoce.

También se han presentado algunos trabajos sobre la muy estudiada familia 122 con un enfoque variado: Compuestos en los que el Fe se sustituye por cobalto o manganeso, nuevas formas de dopar esta familia utilizando Talio o compuestos sobre dopados con huecos tipo KFe2As2, en los que las correlaciones son más importantes, hay señales del cambio en la superficie de Fermi (transición de Lifshift) al aumentar la temperatura y bajo presión parece darse un cambio en el parámetro de orden superconductor entre un estado con simetría s y otro con simetría d.

A nivel genérico y transversal a diferentes tipos de materiales se han discutido entre otros temas, las correlaciones electrónicas, en particular su dependencia en el llenado electrónico y estructura cristalina y la influencia del acoplo Hund en estas; la posibilidad de obtener parámetros de orden exóticos gracias a la riqueza orbital en estos sistemas, nuevas sugerencias para obtener información de técnicas experimentales y propuestas para buscar nuevos superconductores de alta temperatura.

La actividad investigadora en superconductores de hierro parece que seguirá siendo intensa en los próximos años.