Iron by copper substitution in M-1212 cupratescoexistence of superconductivity and magnetism

Resumen

El estudio de la región de sobredopado en cupratos superconductores de alta temperatura está recobrando un alto interés en vistas a una mejor comprensión de los factores que controlan la temperatura crítica. Los materiales del tipo M-1212 resultantes de la sustitución parcial del cobre en el conocido YBaCuO, en la zona de la estructura conocida como reserva de carga, son candidatos idóneos para este fin. En este contexto, el objetivo de la presente tesis doctoral consiste en el estudio del efecto de la sustitución de cobre por hierro en el YBaCuO de estroncio. El interés particular de la sustitución por hierro se sustenta en la posibilidad de alcanzar altos estados de oxidación para los cationes hierro en la reserva de carga. Concretamente, la estabilización del infrecuente estado de oxidación tetravalente para el hierro ha permitido alcanzar altos niveles de dopado en los planos superconductores. Así mismo, la sustitución de cobre por hierro va acompañada de interesantes propiedades electrónicas. En particular, se ha puesto de manifiesto una poco usual coexistencia de superconductividad y magnetismo. En este trabajo, se ha evaluado en primer lugar la solubilidad del hierro en la estructura en condiciones normales de presión. Los materiales Fe-1212 preparados se han oxidado empleando distintas metodologías, entre las que destaca la oxidación con ozono a baja temperatura. Para el estudio de la evolución estructural y la redistribución de carga que acompaña a la variación de oxígeno en la reserva de carga, hemos recurrido a diversas técnicas de caracterización entre las que destacan la microcopia electrónica de transmisión, la difracción de rayos-X y de neutrones, las espectroscopías de absorción de rayos X y Mossbauer, y la espectroscopía de rotación de espín de muones. Los ferrocupratos estudiados presentan superconductividad para niveles de dopado inusualmente elevados, situándose la región de sobredopado del diagrama de fases convencional para los cupratos. Además, se observa una anómala relación entre el nivel de dopado y la temperatura critica. Se deduce una concentración de huecos efectiva desigual para los distintos materiales, enfatizando el efecto de la reserva de carga en las propiedades superconductoras. En particular, el aumento de la temperatura crítica se correlaciona con sutiles cambios en la estructura local en torno a los planos superconductores. Los ferrocupratos estudiados presentan además interesantes propiedades magnéticas. Los materiales conteniendo hierro en estado de oxidación trivalente no son superconductores, pero presentan una estructura magnética de largo alcance involucrando tanto los cationes hierro como los cationes cobre, demostrándose la existencia de acoplamiento magnético entre la reserva de carga y los planos superconductores. Tras la oxidación, se observa una coexistencia de superconductividad (asociada a los planos de cobre) y magnetismo (asociado a los planos de hierro). La novedosa estructura magnética de tipo A está asociada a los cationes de hierro tetravalentes, para los que no se observa proceso de desproporcionación de carga. Además, una transición metamagnética inducida por el campo magnético resulta en un comportamiento ferromagnético bajo el campo aplicado. La demostrada coexistencia de interacciones magnéticas y superconductoras constituye, hasta donde nosotros conocemos, el segundo ejemplo de superconductor magnético dentro de los materiales de tipo cuprato. Por último, la posible interacción entre magnetismo y superconductividad en estos cupratos Fe-1212 ha sido abordada a través del empleo de la espectroscopia de rotación de espín de muones. Por medio de esta técnica, se ha puesto de manifiesto la coincidencia del inicio de las interacciones magnéticas con la temperatura crítica superconductora, sugiriendo que la existencia de correlaciones magnéticas altera el establecimiento de la superconductividad en estos cupratos Fe-1212.