Un team internazionale guidato da scienziati dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia e dell'Università di Stanford ha rilevato nuove caratteristiche nel comportamento elettronico di un materiale di ossido di rame che potrebbe aiutare a spiegare perché diventa un perfetto conduttore elettrico, un superconduttore, a temperature relativamente elevate. .

Utilizzando uno strumento a raggi X ad altissima risoluzione in Francia, i ricercatori hanno visto per la prima volta comportamenti dinamici nell'onda di densità di carica (CDW) del materiale - un modello di elettroni che assomiglia a un'onda stazionaria - che supportano l'idea che queste onde possano svolgere un ruolo nella superconduttività ad alta temperatura.

I dati rilevati a temperature basse (20 kelvin) e alte (240 kelvin) hanno mostrato che all'aumentare della temperatura, il CDW è diventato più allineato con la struttura atomica del materiale. Sorprendentemente, alla temperatura più bassa, il CDW ha anche indotto un insolito aumento dell'intensità delle vibrazioni del reticolo atomico dell'ossido, indicando che i comportamenti CDW dinamici possono propagarsi attraverso il reticolo.

"Ricerche precedenti hanno dimostrato che quando il CDW è statico, compete con e diminuisce la superconduttività, " ha detto il co-autore Wei-Sheng Lee, uno scienziato e ricercatore dello staff SLAC con lo Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES), che ha condotto lo studio pubblicato il 12 giugno in Fisica della natura . "Se, d'altra parte, il CDW non è statico ma fluttuante, la teoria ci dice che potrebbero effettivamente aiutare a formare la superconduttività".

Una ricerca lunga decenni per una spiegazione

Il nuovo risultato è l'ultimo di una ricerca decennale condotta da ricercatori di tutto il mondo sui fattori che consentono a determinati materiali di diventare superconduttori a temperature relativamente elevate.

Dagli anni Cinquanta, gli scienziati hanno saputo come alcuni metalli e leghe semplici diventano superconduttori quando vengono raffreddati a pochi gradi dallo zero assoluto:i loro elettroni si accoppiano e cavalcano onde di vibrazioni atomiche che agiscono come una colla virtuale per tenere insieme le coppie. Al di sopra di una certa temperatura, però, la colla cede all'aumentare delle vibrazioni termiche, le coppie di elettroni si scindono e la superconduttività scompare.

Nel 1986, è stato scoperto che i materiali complessi di ossido di rame diventano superconduttori a temperature molto più elevate, anche se ancora piuttosto fredde. Questa scoperta è stata così inaspettata che ha causato una sensazione scientifica mondiale. Comprendendo e ottimizzando il funzionamento di questi materiali, i ricercatori sperano di sviluppare superconduttori che funzionino a temperatura ambiente e oltre.

All'inizio, la colla più probabile che tiene insieme coppie di elettroni superconduttori a temperature più elevate sembrava essere forti eccitazioni magnetiche create dalle interazioni tra gli spin degli elettroni. Ma nel 2014 una simulazione teorica ed esperimenti condotti dai ricercatori SIMES hanno concluso che queste interazioni magnetiche ad alta energia non sono l'unico fattore nella superconduttività ad alta temperatura dell'ossido di rame. Anche un CDW imprevisto sembrava essere importante.

Gli ultimi risultati proseguono la collaborazione SIMES tra esperimento e teoria. Basandosi su teorie precedenti su come le interazioni degli elettroni con le vibrazioni del reticolo possono essere sondate con la diffusione di raggi X anelastica risonante, o RIXS, la firma della dinamica CDW è stata finalmente identificata, fornendo ulteriore supporto per il ruolo del CDW nel determinare la struttura elettronica negli ossidi di rame superconduttori.

Il nuovo strumento essenziale:RIXS

I nuovi risultati sono abilitati dallo sviluppo di strumenti più capaci che impiegano RIXS. Ora disponibile ad altissima risoluzione presso l'European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Francia, dove il team ha eseguito questo esperimento, RIXS sarà anche una caratteristica importante del laser a elettroni liberi a raggi X Linac Coherent Light Source aggiornato di SLAC, LCLS-II. La combinazione di una risoluzione di energia ultraelevata e un'elevata frequenza di ripetizione degli impulsi a LCLS-II consentirà ai ricercatori di vedere fluttuazioni CDW più dettagliate ed eseguire esperimenti volti a rivelare ulteriori dettagli del suo comportamento e collegamenti alla superconduttività ad alta temperatura. Più importante, i ricercatori di LCLS-II saranno in grado di utilizzare interazioni luce-materia ultraveloci per controllare le fluttuazioni CDW e quindi scattare istantanee su scala temporale a femtosecondi.

RIXS prevede l'illuminazione di un campione con raggi X che hanno energia appena sufficiente per eccitare alcuni elettroni in profondità all'interno degli atomi bersaglio per saltare in una specifica orbita superiore. Quando gli elettroni si rilassano nelle posizioni precedenti, una piccola frazione di essi emette raggi X che trasportano preziose informazioni su scala atomica sulla configurazione elettronica e magnetica del materiale che si ritiene sia importante nella superconduttività ad alta temperatura.

"Ad oggi, nessun'altra tecnica ha visto prove di propagazione della dinamica CDW, " ha detto Lee.

RIXS è stato dimostrato per la prima volta a metà degli anni '70, ma non ha potuto ottenere informazioni utili per affrontare problemi chiave fino al 2007, quando Giacomo Ghiringhelli, Lucio Braicovich del Politecnico di Milano in Italia e i colleghi di Swiss Light Source hanno apportato un cambiamento fondamentale che ha migliorato la sua risoluzione energetica a un livello in cui sono diventati visibili dettagli significativi, tecnicamente parlando di circa 120 milli-elettronvolt (meV) alla relativa lunghezza d'onda dei raggi X, che è chiamato un bordo L di rame. Il nuovo strumento RIXS all'ESRF è tre volte migliore, raggiungendo regolarmente una risoluzione energetica fino a 40 meV. Dal 2014, il gruppo di Milano ha collaborato con gli scienziati SLAC e Stanford nella loro ricerca RIXS.

"Il nuovo RIXS ad altissima risoluzione fa un'enorme differenza, " Ha detto Lee. "Può mostrarci dettagli precedentemente invisibili".