El diboruro de magnesio es el compuesto inorgánico con la fórmula MgB 2 . Es un sólido gris oscuro, insoluble en agua. El compuesto ha llamado la atención porque se vuelve superconductor a 39 K (−234 °C). En cuanto a su composición, el MgB 2 difiere notablemente de la mayoría de los superconductores de baja temperatura, que se caracterizan principalmente por metales de transición. Su mecanismo superconductor está descrito principalmente por la teoría BCS .
Las propiedades superconductoras del diboruro de magnesio se descubrieron en 2001. [1] Su temperatura crítica ( Tc ) de 39 K ( −234 °C; −389 °F) es la más alta entre los superconductores convencionales . Entre los superconductores convencionales ( mediados por fonones ), es inusual. Su estructura electrónica es tal que existen dos tipos de electrones en el nivel de Fermi con comportamientos muy diferentes, uno de ellos ( enlace sigma ) es mucho más fuertemente superconductor que el otro ( enlace pi).). Esto está en desacuerdo con las teorías habituales de la superconductividad mediada por fonones que suponen que todos los electrones se comportan de la misma manera. La comprensión teórica de las propiedades del MgB 2 casi se ha logrado mediante el modelado de dos brechas de energía. En 2001 se consideró que se comportaba más como un superconductor metálico que como un cuprato . [2]
Usando la teoría BCS y las brechas de energía conocidas de las bandas de electrones pi y sigma (2.2 y 7.1 meV, respectivamente), se ha encontrado que las bandas de electrones pi y sigma tienen dos longitudes de coherencia diferentes (51 nm y 13 nm, respectivamente) . [3] Las profundidades de penetración de Londres correspondientes son 33,6 nm y 47,8 nm. Esto implica que los parámetros de Ginzburg-Landau son 0,66±0,02 y 3,68, respectivamente. El primero es menor que 1/ √ 2 y el segundo es mayor, por lo que el primero parece indicar superconductividad tipo I marginal y el segundo superconductividad tipo II.
Se ha predicho que cuando dos bandas diferentes de electrones producen dos cuasipartículas, una de las cuales tiene una longitud de coherencia que indicaría superconductividad tipo I y otra indicaría tipo II, entonces, en ciertos casos, los vórtices se atraen a largas distancias y se repelen en distancias cortas. [4] En particular, la energía potencial entre vórtices se minimiza a una distancia crítica. Como consecuencia, existe una nueva fase conjeturada llamada estado semi-Meissner., en el que los vórtices están separados por la distancia crítica. Cuando el flujo aplicado es demasiado pequeño para que todo el superconductor se llene con una red de vórtices separados por la distancia crítica, entonces hay grandes regiones de superconductividad tipo I, un estado de Meissner, que separan estos dominios.
La confirmación experimental de esta conjetura ha llegado recientemente en experimentos con MgB 2 a 4,2 Kelvin. Los autores encontraron que, de hecho, existen regímenes con una densidad de vórtices mucho mayor. Mientras que la variación típica en el espaciado entre los vórtices de Abrikosov en un superconductor de tipo II es del orden del 1 %, encontraron una variación del orden del 50 %, en línea con la idea de que los vórtices se agrupan en dominios donde pueden estar separados por la distancia crítica. El término superconductividad tipo 1.5 fue acuñado para este estado.
El diboruro de magnesio se sintetizó y su estructura se confirmó en 1953. [5] La síntesis más simple implica una reacción a alta temperatura entre los polvos de boro y magnesio . [2] La formación comienza a los 650 °C; sin embargo, dado que el magnesio metálico se funde a 652 °C, la reacción puede implicar la difusión de vapor de magnesio a través de los límites de los granos de boro. A temperaturas de reacción convencionales, la sinterización es mínima, aunque la recristalización del grano es suficiente para la formación de túneles cuánticos de Josephson entre granos. [ cita requerida ]