Superconductores: desorden asombrosamente ordenado
Descubierto un efecto sorprendente: los átomos se disponen de forma totalmente desordenada pero producen orden magnético
La superconductividad es uno de los temas centrales de la moderna ciencia de materiales: ciertos materiales pueden conducir la corriente eléctrica sin resistencia alguna, al menos por debajo de cierta temperatura. Sin embargo, cómo producir materiales que sigan presentando esta propiedad a temperaturas más altas sigue siendo un problema sin resolver.
Luka Akšamović y Priyanka Reddy, miembros del equipo de Neven Barišić.
TU Wien
Ahora, investigadores de la Universidad Técnica de Viena han descubierto una sorprendente conexión entre dos clases de superconductores bastante diferentes, los llamados "cupratos" y "pnictidos": el material murunskita combina propiedades de ambos de forma inesperada. Lo sorprendente es que, aunque los átomos cruciales de la murunskita están dispuestos de forma completamente aleatoria e irregular, las propiedades magnéticas están perfectamente ordenadas, incluso a temperaturas sorprendentemente altas, y se asemejan a las de los pnictidos de hierro. De forma análoga, en los cupratos, a pesar del gran desorden local y la superconductividad a alta temperatura, aparece un tipo particular de metalicidad, que sólo podría asociarse a sistemas excepcionalmente limpios. Los "culpables" en los cupratos y la murunskita son los orbitales abiertos de los ligandos.
Dos mundos y uno intermedio
Los materiales que presentan propiedades superconductoras incluso a temperaturas relativamente altas -conocidos como superconductores de alta temperatura- deben normalmente esta propiedad a la compleja interacción física cuántica entre distintos tipos de átomos. Simular los efectos de estos materiales en un ordenador y comprenderlos teóricamente requiere un gran esfuerzo.
Sin embargo, en las últimas décadas se han encontrado varias clases de materiales que han resultado prometedores para la investigación de la superconductividad, como la clase de los cupratos. Se trata de compuestos cerámicos que contienen átomos de cobre en los que la superconductividad surge de un estado aislante al doparlos con portadores de carga. Una clase completamente distinta de superconductores son los pnicítidos, materiales metálicos con electrones móviles.
Los investigadores de la Universidad Técnica de Viena han estudiado otro material: la murunskita, un cristal compuesto de potasio, hierro, cobre y azufre. Aunque no es un superconductor propiamente dicho, está estrechamente relacionado con los materiales superconductores. "La murunskita es, en cierto sentido, el eslabón perdido entre estas dos clases de materiales", afirma el profesor Neven Barišić, del Instituto de Física del Estado Sólido de la Universidad Técnica de Viena. "Tiene una estructura cristalina como la de los pnictidos, pero propiedades electrónicas similares a las de los cupratos. Sus propiedades magnéticas son novedosas y sorprendentes, aunque recuerdan tanto a los cupratos como a los pnictidos."
Desorden geométrico, orden magnético
Hay muchos materiales que presentan efectos magnéticos. Esto significa que los átomos se alinean magnéticamente de la misma manera, como muchas pequeñas agujas de brújula apuntando todas en la misma dirección. Normalmente, los átomos también deben estar dispuestos geométricamente de forma regular. Esta es la forma universalmente aceptada de garantizar que todos se influyan mutuamente de la misma manera, para que el orden magnético pueda desarrollarse a grandes distancias.
Sorprendentemente, sin embargo, éste no es el caso de la Murunskita: En este material, los átomos no están dispuestos de forma regular", explica Priyanka Reddy. En determinados puntos de la red cristalina puede haber un átomo de cobre o uno de hierro. Los átomos de cobre no tienen efecto magnético, pero los de hierro sí".
No existe un patrón geométrico según el cual se dispongan los átomos de cobre y de hierro; están completamente mezclados al azar. Y sin embargo, como ha podido demostrar ahora el equipo de investigación, el orden magnético surge a una temperatura de 176 grados Celsius bajo cero (97K): los átomos de hierro se alinean magnéticamente siguiendo los mismos patrones, aunque estén a diferentes distancias unos de otros.
"En este caso, hablamos de orden emergente", explica Davor Tolj. "Aunque los átomos no sigan ninguna regla geométrica, forman agrupaciones ordenadas magnéticamente: islas ordenadas en un mar de átomos desordenados que, en cierto sentido, coinciden en una dirección magnética común". Estos cúmulos se conectan en red con otros cúmulos, de modo que, a pesar de la falta de orden geométrico, surge un orden magnético que impregna todo el cristal.
El resultado demuestra que el orden magnético no tiene por qué basarse en un orden atómico perfecto. Esto abre nuevas vías en la investigación de materiales y dispositivos, en relación con los superconductores y más allá.
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Publicación original
D. Tolj et al., High-Entropy Magnetsm of Murunskite, Adv. Funct. Mater. 2025, 2500099 (2025)
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