Las Superredes de Superconductores

Su estructura cristalina natural, comparada con la de la mayoría de superconductores clásicos, que son generalmente metales elementales o aleaciones metálicas, es compleja. Esta formada por un apilamiento de capas de átomos de distinta naturaleza. Para comprender mejor el papel de estas capas, los investigadores empezaron a manipular dichos óxidos y a fabricar unas estructuras artificiales, las superredes superconductoras. Estas superredes están formadas por capas delgadas del superconductor a estudiar, alternando con capas de otros materiales, cuya composición y cuyo espesor se hacen variar a voluntad.

Para comprender mejor los nuevos materiales que han ido apareciendo en los últimos años hay que dilucidar la relación entre su estructura cristalina y su superconductividad. Ahí es donde ha resultado muy útil la fabricación "a medida " de apilamientos de finas capas de tales superconductores : las superredes. ¿que son las superredes?. Partiendo de la idea de que los óxidos superconductores de alta temperatura cristalina por si mismos en l estructura en capas, era tentador para el experimentador invertir en la formación de dichas capas, modificar su apilamiento natural y su composición química, a fin de construir toda una panoplia de materiales, las superredes, auténticos híbridos que ayudarían a forjar los conceptos importantes. 

Estas estructuras artificiales están formadas por superposición de capas ultradelgadas de uno o mas compuestos, superconductores o no. Cada capa consta de un numero variable de planos atómicos, que puede estar comprendido entre uno y varias decenas. Cuando una capa es lo bastante gruesa, los planos atómicos se disponen por si mismos como en el material masivo, y se esta en presencia de una doble periodicidad en la dirección perpendicular a las capas. La periodicidad creada artificialmente, de Ahí el nombre de superred. 

Las superredes de óxidos superconductores fueron realizadas por primera vez en la Universidad de Ginebra en 1989 y luego muy rápidamente al año siguiente en Estados Unidos. 

La temperatura critica disminuye rápidamente al aumentar la distancia entre capas superconductoras sucesivas. Esta explosión de actividades esta ligada a las sorprendentes posibilidades que ofrecen las técnicas de punta de posición de capas delgadas, con la epitaxis por pulverización catódica o por chorros moleculares. Esta ultima técnica debe sus rápidos progresos a las exigencias de la fabricación de las superredes semiconductoras. 

¿ De que se trata? Es un recinto a vacío, se dirigen uno o varios chorros de átomos o de moléculas sobre un substrato en el que se depositan. A medida que los átomos van llegando, se va construyendo el cristal, que puede formarse sin ningún defecto si el proceso se lleva cabo cuidadosamente. Para formar las superredes de óxidos superconductores, los chorros contienen una mezcla de los átomos necesarios en proporciones calculadas de antemano. El amontonamiento de losa tomos puede detenerse en todo momento tras el deposito de un cierto numero de planos atómicos, para proceder luego al deposito de otra capa de distinta composición. Aplicando tales técnicas a los óxidos superconductores, cabe pensar en fabricar estructuras dentro de las cuales se ha modificado el numero de planos CuO2 de una malla elemental (en los materiales masivos, la temperatura critica depende del numero de planos de CuO2 por malla elemental). También se puede cambiar la secuencia de apilamiento entre los grupos de planos de CuO2 y luego observar como estos cambios estructurales modifican la temperatura critica. 

Los primeros resultados de los experimentos, en la Universidad de Ginebra 1989, superaron las previsiones mas optimistas. El examen por rayos X demostró que las superredes preparadas por pulverización catodia tienen una calidad cristalina superior a la de las capas simples. Se llega incluso a depositar las capas malla elemental por malla elemental, lo cual corresponde a espesores extremadamente débiles, del orden de 12 angströms, el compuesto mas utilizado en estos experimentos ha sido, YBaCuO. 

Por medio de estas superredes, en las que alternan capas de YBaCuO y de PrBaCuO se ha estudiado la evolución de las propiedades superconductoras con el espesor de las capas. En 1990 se demuetra que la temperatura critica decrece rápidamente cuando aumenta la distancia entre los grupos de planos de CuO2. 

La superconductividad aparece pues a una temperatura mucho mas baja en una capa formada por una malla aislada de YBaCuO que en una capa gruesa cuya temperatura es de 90ºK. para obtener una elevada temperatura critica parece importante apilar las mallas lo cual sugiere que las mallas no se comportan independientemente unas de otras. 

Se produce un nuevo fenómeno que es un "ensanchamiento" de la transición, el material no pasa bruscamente el estado superconductor a una temperatura dada sino que va perdiendo paulatinamente su resistencia al disminuir la temperatura. 

La interpretación de estos resultados es objeto todavía de muchas investigaciones. En cambio de la temperatura de transición superconductora al separarse los planos de CuO2 indica que el acoplamiento entre planos contribuye a aumentar esta temperatura. No obstante, todavía no se ha descubierto la manera de como el acoplamiento modifica la temperatura critica. El ensanchamiento de las transición esta vinculado a la aparición espontanea de "vórtices" de corriente en los superconductores de dos dimensiones. 

Pero ¿que es un vórtice? Se trata de un torbellino de corrientes eléctricas espontaneas, las supercorrientes, que pueden aparecer en el superconductor en ausencia de tensión aplicada. En los superconductores convencionales, los vórtices solo aparecen en presencia de campo magnético y pueden visualizarse como largos torbellinos de corriente que atraviesen el material. 

En los óxidos superconductores, sin embargo, la situación es distinta. Ante todo, en las capas cuasidimensionales como las que aquí nos interesan, los vórtices pueden aparecer espontáneamente en ausencia de campo magnético. 

Los vórtices nacen por pares y cada vórtice esta ligado a un antivortice en el que la corriente circula en sentido contrario. Como la energía de un vórtice es proporcional a su longitud, cuanto mas delgadas son las capas, mas fácil es crear estos pares vórtice/antivortice. A baja temperatura, ambos están ligados. Al aumentar la temperatura es de esperar que estos pares se disocien a una cierta temperatura característica. El punto crucial es que estos vórtices se volverán independientes, unos de otros, por encima de esta temperatura. Dicho movimiento consume energía y todo ocurre como si en el material apreciase una resistencia eléctrica. La temperatura a la que se disocian los vórtices es pues la temperatura de transición del sistema ya que, por encima de ella, la resistencia deja de ser nula. Lo esencial es que esa temperatura de transición es mas baja que la temperatura critica del material grueso. Cuanto mas delgada es la capa, mas se reduce la temperatura critica. Así, el intervalo de temperatura en el que se encuentran los vórtices libres aumenta: es el "ensanchamiento" observado por los investigadores. Esta transición, llamada BKT, encierra todavía muchos misterios. Las superredes claro esta, son los instrumentos idóneos para resolver la controversia, ya que permiten relacionar de un modo continuo la malla única y el superconductor masivo.

s magnéticos de los iones de Cobre.