Investigadores descubren hidruro de estaño con propiedades de metal extraño

30 de agosto de 2023

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por el Instituto Skolkovo de Ciencia y Tecnología

Científicos de Skoltech, el Instituto Shubnikov de Cristalografía y el Centro de Investigación Avanzada en Ciencia y Tecnología de Alta Presión (HPSTAR) en Beijing, China, están explorando la superconductividad de los polihidruros, compuestos de metales e hidrógeno formados a alta presión. Se espera que estos compuestos funcionen a temperaturas más altas que los superconductores de cuprato.

Junto con colegas de otros institutos de investigación líderes en Rusia, China, Alemania y Estados Unidos, el equipo publicó recientemente un artículo en Advanced Science, donde introducen hidruros de estaño previamente desconocidos.

La superconductividad se refiere a conducir electricidad sin pérdidas ni resistencia. Los superconductores simplifican enormemente la transmisión de electricidad y se utilizan en avances tecnológicos, por ejemplo, en grandes imanes y computadoras cuánticas que son millones de veces más rápidas para resolver tareas que superan la capacidad de una computadora normal. Ahora, sin embargo, esta tecnología es muy cara porque los superconductores funcionan sólo a temperaturas muy bajas, en su mayoría por debajo de -196°C.

"Después de que se descubrieron nuevos materiales con temperaturas críticas casi récord, como H3S o LaH10, la superconductividad de hidruros a alta temperatura comenzó a ganar interés. En este contexto, es importante comprender y analizar los mecanismos físicos de conductividad y superconductividad en hidruros, así como la estructura de los nuevos materiales, de lo contrario podemos obtener datos inexactos. Nuestros estudios abordan con éxito este problema", afirma el coautor del estudio, profesor asistente del Centro de Proyectos para la Transición Energética Alexander Kvashnin.

El equipo de investigación de Skoltech y el Centro de Investigación Avanzada en Ciencia y Tecnología de Alta Presión (HPSTAR) en Beijing realiza experimentos para avanzar hacia el logro de la superconductividad a temperatura ambiente. "Anteriormente estudiamos polihidruros superconductores de torio, itrio, cerio, lantano-itrio y lantano-cerio a una presión de hasta 2 millones de atmósferas. La temperatura máxima que logramos alcanzar fue de aproximadamente 253 grados Kelvin (aproximadamente -20° C),", dice un coautor del estudio y graduado de Skoltech, becario postdoctoral en el Centro de Investigación Avanzada en Ciencia y Tecnología de Alta Presión (HPSTAR) en Beijing, Dmitrii Semenok.

En el nuevo artículo, los investigadores estudiaron la interacción química entre el estaño (Sn) y el hidrógeno (H2) bajo una presión de 1,8 a 2,4 millones de atmósferas mediante mediciones de transporte eléctrico y difracción de polvo y monocristal de rayos X de sincrotrón.

"Para los experimentos, utilizamos células de yunque de diamante de alta presión con dos yunques de diamante que se presionan con fuerza entre sí. Colocamos una pequeña muestra del material estudiado entre ellos; en este caso, el material era estanano líquido, un hidruro de estaño molecular. SnH4: Cuando se prensan diamantes, un área de 50 micrómetros experimenta una presión bastante alta, de hasta 2 a 2,5 millones de atmósferas.

"Como resultado, las propiedades de la sustancia cambian y aparecen nuevos compuestos de estaño e hidrógeno. El líquido transparente SnH4 se convierte en semiconductor, luego en metal y más tarde en superconductor con una temperatura crítica de 72 Kelvin. Las propiedades de transporte eléctrico se analizaron con cables metálicos pulverizados sobre los yunques de diamante y haciendo pasar una corriente eléctrica a través de la muestra. Estudiamos la estructura de nuevos hidruros de estaño mediante monocristal y difracción de rayos X en polvo", describe Semenok.

Como afirman los investigadores, el SnH4 bajo presión presenta propiedades inusuales: la resistencia eléctrica y la magnetorresistencia de este hidruro en estado no superconductor dependen casi linealmente de la temperatura y, en consecuencia, del campo magnético aplicado. El campo magnético crítico superior también depende linealmente de la temperatura hasta 2 K, a diferencia de los modelos habituales. El comportamiento del tetrahidruro de estaño es muy similar al de los superconductores de cuprato, a los que se hace referencia ampliamente como metales "extraños" y no líquidos de Fermi.

Los metales "extraños" conducen la electricidad de forma diferente a los metales habituales. La dispersión de los electrones en ellos y su resistencia eléctrica se ven afectados no sólo por las vibraciones térmicas de la red y la interacción electrón-electrón, sino también por otros factores y partículas exóticas, como las fluctuaciones superconductoras, los magnones, el espín y las ondas de densidad de carga.

"Así, nuestro trabajo sirve como puente entre la superconductividad de cuprato, rica en efectos cuánticos, y la superconductividad de hidruro a altas presiones. Otros hidruros superconductores con gran potencial práctico (por ejemplo, un superhidruro de lantano LaH10) también pueden ser metales 'extraños'. Más todavía es necesario realizar una investigación exhaustiva", afirma Semenok.

Los investigadores planean seguir estudiando las propiedades físicas de los polihidruros superconductores, centrándose en sus efectos cuánticos a bajas temperaturas. El equipo está particularmente interesado en los hidruros de cerio CeH9 y CeH10. Sus grandes muestras se pueden obtener a una presión mucho más baja: casi 1 millón de atmósferas.

Más información: Ivan A. Troyan et al, Comportamiento líquido no fermi del SnH4 superconductor, Ciencia avanzada (2023). DOI: 10.1002/advs.202303622

Información de la revista:Ciencia avanzada

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