Revelan nuevos aspectos sobre la superconductividad y otros fenómenos correlacionados

En un trabajo publicado en Physical Review B se exploran los comportamientos exóticos de ciertos compuestos orgánicos cuando se los somete a bajas temperaturas

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – El fenómeno de la superconductividad, descubierto accidentalmente hace más de un siglo, sigue augurando una formidable revolución tecnológica. En 1911, al estudiar el comportamiento del metal mercurio enfriado a una temperatura de 4 K (-269 °C), el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926) observó por primera vez la propiedad que poseen algunos materiales de conducir la corriente eléctrica sin resistencia ni pérdidas en las cercanías del cero absoluto. 

En la década de 1980 surgió un renovado interés en el tema cuando se obtuvo experimentalmente la superconductividad a temperaturas mucho más altas, del orden de los 90 K (-183 °C). Ese número fue superado posteriormente. Y en la actualidad la expectativa de alcanzar la superconductividad a temperatura ambiente motiva investigaciones en diversas instituciones científicas de vanguardia.

En este marco se inserta un estudio realizado recientemente por el Grupo de Física del Estado Sólido de la Universidade Estadual Paulista (Unesp) en la ciudad de Rio Claro, en Brasil. Dicho trabajo, coordinado por Valdeci Pereira Mariano de Souza, congregó a investigadores de la Unesp y de la Université Paris Sud (Orsay, França). Y los resultados se alcanzaron en Rio Claro con equipos adquiridos con el apoyo de la FAPESP.

El artículo sobre esta investigación salió publicado en la revista Physical Review B, y el texto completo puede leerse también en este enlace: arxiv.org/pdf/1801.00626.pdf.

“En diversos materiales, la fase superconductora se manifiesta en la cercanía de la llamada ‘fase aislante de Mott’. La transición metal-aislante de Mott constituye un cambio abrupto en la conductividad eléctrica que ocurre a una determinada temperatura cuando la repulsión de Coulomb entre los electrones se vuelve comparable a la energía cinética de los electrones libres”, declaró Mariano de Souza a Agência FAPESP.

“Cuando la repulsión de Coulomb pasa a ser relevante, los electrones, antes itinerantes, se vuelven localizados, minimizando así la energía total del sistema. Esta localización electrónica constituye la llamada ‘fase aislante de Mott’. En algunos casos, ocurre un proceso más exótico aún. Debido a las interacciones entre electrones que ocupan sitios vecinos de la red, los electrones se reordenan en la red de una manera no homogénea. Se produce entonces la llamada ‘fase de ordenamiento de carga’. Nuestro estudio abordó este tipo de fenómenos”, dijo. 

Cuando se concreta la fase de ordenamiento de carga, la distribución no homogénea de las cargas, en ocasiones acompañada por una distorsión de la red cristalina, hace que el material pase a exhibir una polarización eléctrica y, por consiguiente, un comportamiento ferroeléctrico. Es la llamada “fase ferroeléctrica de Mott-Hubbard”, un concepto que homenajea a dos importantes físicos británicos que se dedicaron al estudio del tema: Sir Nevill Francis Mott (1905-1996), Nobel de Física de 1977, y John Hubbard (1931-1980).

Para explorar dichas fases exóticas experimentalmente, los científicos de la Unesp utilizaron como materiales las llamadas “sales de Fabre”. Estos materiales se forman a partir de una molécula orgánica llamada tetrametiltetrathiafulvaleno (TMTTF), que presenta una configuración simétrica, con una unión doble de carbono en el centro y dos radicales metilo de cada lado. Y se valieron de un criostato, también adquirido con el apoyo de la FAPESP, que permite alcanzar el punto más frio y más magnético disponible en la Unesp, con una temperatura de 1,4 Kelvin y un campo de 12 teslas.

“Con esta herramienta experimental, nos propusimos no solamente caracterizar materiales, aunque esto es importante, sino también investigar propiedades fundamentales de la materia que se manifiestan en condiciones extremas. Las sales de Fabre les muestran diagramas de fase extremadamente ricos a quienes se dedican a ese tipo de investigaciones. Los referidos sistemas moleculares ya se habían explorado mediante resonancia magnética nuclear, espectroscopía de infrarrojo y otras técnicas. Lo que hicimos esencialmente fue medir su constante dieléctrica en el régimen de bajas frecuencias”, dijo Mariano de Souza.

Cabe recordar que la constante dieléctrica varía de material a material, y si bien es una magnitud macroscópica, nos informa cuán polarizable puede ser un material.

“Teniendo en cuenta que las sales de Fabre son materiales altamente anisotrópicos, es decir, con propiedades de transporte que dependen significativamente de la dirección cristalográfica, cuando se produce el ordenamiento de carga surge la polarización eléctrica de Mott-Hubbard a lo largo de la pila de moléculas (TMTTF) que forman el material. Tal polarización es expresiva y ya había sido reportada en la literatura en 2001”, dijo Mariano de Souza. 

“En este trabajo medimos por primera vez el aporte iónico de la constante dieléctrica en estos materiales. Verificamos que a medida que baja la temperatura, la contribución iónica también disminuye, dando lugar a la fase de Mott-Hubbard. Ésta fue una observación nueva, que aún no se había registrado en la literatura: es una contribución genuinamente nuestra. También exploramos minuciosamente el efecto del desorden inducido por irradiación en la fase de Mott-Hubbard”, dijo.

Según el profesor de la Unesp, la importancia de esto se debe a la proximidad de la fase ferroeléctrica de Mott-Hubbard con la superconductividad.

“Willian Little, profesor emérito de la Stanford University, decía que los conductores moleculares de baja dimensionalidad serían los candidatos para la obtención de superconductividad a temperatura ambiente. En su trabajo, Little postuló que la superconductividad a temperatura ambiente se lograría por medio de “espinas”, es decir, cadenas conductoras con cadenas laterales altamente polarizables. Los materiales que estamos estudiando poseen exactamente estos ingredientes”, explicó Mariano de Souza.

La obtención de “espinas” constituyó un primer paso. El paso siguiente, ya ideado por los investigadores de Rio Claro, consiste en estresar las sales de Fabre para inducir superconductividad a partir de la fase ferroeléctrica de Mott-Hubbard.

El artículo intitulado Probing the ionic dielectric constant contribution in the ferroelectric phase of the Fabre salts (doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.97.045122), de Mariano de Souza, Lucas Squillante, Cesar Sônego, Paulo Menegasso, Pascale Foury-Leylekian y Jean-Paul Pouget, salió publicado en Physical Review B, en el siguiente enlace: journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.97.045122. Puede leérselo también aquí: arxiv.org/pdf/1801.00626.pdf.