Los superconductores covalentes son materiales superconductores donde los átomos están unidos por enlaces covalentes . El primer material de este tipo fue el diamante sintético dopado con boro cultivado mediante el método de alta presión y alta temperatura (HPHT). [1] El descubrimiento no tuvo importancia práctica, pero sorprendió a la mayoría de los científicos, ya que no se había observado superconductividad en semiconductores covalentes, incluidos el diamante y el silicio.
Historia
La prioridad de muchos descubrimientos científicos se disputa enérgicamente (véanse, por ejemplo, las controversias sobre el Premio Nobel ). Otro ejemplo, después de que Sumio Iijima "descubrió" los nanotubos de carbono en 1991, muchos científicos han señalado que las nanofibras de carbono en realidad se observaron décadas antes . Lo mismo podría decirse de la superconductividad en semiconductores covalentes. La superconductividad en germanio y silicio-germanio se predijo teóricamente ya en la década de 1960. [2] [3] Poco después, se detectó experimentalmente superconductividad en el telururo de germanio . [4] [5] En 1976, se observó experimentalmente una superconductividad con Tc = 3,5 K en germanio implantado con iones de cobre; [6] se demostró experimentalmente que la amorfización era esencial para la superconductividad (en Ge), y la superconductividad se asignó al propio Ge, no al cobre.
Diamante
La superconductividad en el diamante se logró mediante el dopaje pesado de tipo p con boro, de modo que los átomos de dopaje individuales comenzaron a interactuar y formaron una "banda de impurezas". La superconductividad fue de tipo II con la temperatura crítica Tc = 4 K y el campo magnético crítico Hc = 4 T. Posteriormente, se logró Tc ~ 11 K en películas de CVD homoepitaxiales . [7] [8]
Con respecto al origen de la superconductividad en el diamante, se sugirieron tres teorías alternativas: la teoría BCS convencional basada en el emparejamiento mediado por fonones, la teoría de bandas de impurezas correlacionadas [9] y el emparejamiento impulsado por spin-flip de agujeros localizados débilmente en las proximidades del nivel de Fermi. [10] Los experimentos con diamantes enriquecidos con isótopos 12 C, 13 C, 10 B u 11 B revelaron un claro cambio de Tc, y su magnitud confirma el mecanismo de superconductividad BCS en el diamante policristalino a granel. [11]
Nanotubos de carbon
Si bien ha habido informes de superconductividad intrínseca en nanotubos de carbono , [12] [13] muchos otros experimentos no encontraron evidencia de superconductividad, y la validez de estos resultados sigue siendo un tema de debate. [14] Sin embargo, tenga en cuenta una diferencia crucial entre los nanotubos y el diamante: aunque los nanotubos contienen átomos de carbono unidos covalentemente, tienen propiedades más cercanas al grafito que al diamante, y pueden ser metálicos sin dopaje. Mientras tanto, el diamante sin dopar es un aislante.
Grafito intercalado
Cuando se insertan (intercalan) átomos de metal entre los planos de grafito, se crean varios superconductores con las siguientes temperaturas de transición: [15] [16]
Material | CaC 6 | Li 3 Ca 2 C 6 | YbC 6 | SrC 6 | KC 8 | RbC 8 | NaC 3 | KC 3 | LiC 3 | NaC 2 | LiC 2 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Tc (K) | 11,5 | 11.15 | 6.5 | 1,65 | 0,14 | 0,025 | 2,3–3,8 | 3,0 | <0,35 | 5,0 | 1,9 |
Silicio
Se sugirió [1] que "Si y Ge, que también se forman en la estructura del diamante, pueden exhibir de manera similar superconductividad en las condiciones apropiadas", y de hecho, descubrimientos de superconductividad en Si (Si: B) fuertemente dopado con boro [17] y SiC: B [18] han seguido rápidamente. Similar al diamante, Si: B es un superconductor de tipo II , pero tiene valores mucho más pequeños de Tc = 0.4 K y Hc = 0.4 T. La superconductividad en Si: B se logró mediante un dopaje fuerte (por encima de 8 at.%), Realizado a través de una técnica especial de no equilibrio de dopaje con láser por inmersión en gas .
Carburo de silicio
La superconductividad en SiC se logró mediante un fuerte dopado con boro [19] o aluminio. [20] Tanto la fase cúbica (3C-SiC) como la hexagonal (6H-SiC) son superconductoras y muestran un Tc muy similar de 1,5 K. Sin embargo, se observa una diferencia crucial para el comportamiento del campo magnético entre el dopaje de aluminio y boro: SiC: Al es de tipo II , igual que Si: B. Por el contrario, el SiC: B es de tipo I . En un intento de explicar esta diferencia, se observó que los sitios de Si son más importantes que los sitios de carbono para la superconductividad en SiC. Mientras que el boro sustituye al carbono en el SiC, el Al sustituye a los sitios de Si. Por lo tanto, Al y B "ven" un ambiente diferente que podría explicar las diferentes propiedades de SiC: Al y SiC: B. [21]
Sulfuro de hidrógeno
A presiones superiores a 90 GPa ( gigapascal ), el sulfuro de hidrógeno se convierte en un conductor metálico de la electricidad. Cuando se enfría por debajo de una temperatura crítica, su fase de alta presión exhibe superconductividad . La temperatura crítica aumenta con la presión, desde 23 K a 100 GPa hasta 150 K a 200 GPa. [22] Si el sulfuro de hidrógeno se presuriza a temperaturas más altas y luego se enfría, la temperatura crítica alcanza los 203 K (-70 ° C), la temperatura crítica superconductora más alta aceptada en 2015. Sustituyendo una pequeña parte de azufre con fósforo y usando incluso presiones más altas, se ha predicho que puede ser posible elevar la temperatura crítica por encima de 0 ° C (273 K) y lograr una superconductividad a temperatura ambiente . [23]
Ver también
- Superconductor convencional : materiales que muestran superconductividad como se describe en la teoría BCS o sus extensiones.
- Lista de superconductores
- Superconductividad de alta temperatura : comportamiento superconductor a temperaturas mucho más altas que el cero absoluto
- Superconductor a temperatura ambiente : material que exhibe superconductividad por encima de 0 ° C
- Silicio - Elemento químico con número atómico 14
- Carburo de silicio : semiconductor extremadamente duro que contiene silicio y carbono.
- Superconductividad : conductividad eléctrica con resistencia exactamente cero
- Clasificación de superconductores : diferentes tipos de superconductores
- Diamante sintético - Diamante cultivado
- Aplicaciones tecnológicas de la superconductividad
- Cronología de la tecnología de baja temperatura : aspecto de la historia
- Superconductor de tipo I : tipo de superconductor con un solo campo magnético crítico
- Superconductor de tipo II : superconductor caracterizado por la formación de vórtices magnéticos en un campo magnético aplicado
- Superconductor no convencional : materiales superconductores no explicados por las teorías establecidas existentes
Referencias
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enlaces externos
- Taller internacional sobre superconductividad en diamantes y materiales relacionados 2005
- Taller internacional sobre superconductividad en diamantes y materiales relacionados 2008
- New Diamond and Frontier Carbon Technology Volumen 17, número 1 número especial sobre superconductividad en el diamante CVD
- Algunos artículos sobre diamantes superconductores