Immagine microscopica di uno dei campioni di bismuto stronzio calcio rame ossido che gli scienziati hanno studiato utilizzando una nuova tecnica di imaging ad alta velocità. I cambiamenti di colore mostrano i cambiamenti nell'altezza e nella curvatura del campione per rivelare drammaticamente la struttura a strati e la planarità del materiale. Credito:Brookhaven National Laboratory
Gli scienziati che studiano i superconduttori ad alta temperatura, materiali che trasportano corrente elettrica senza perdita di energia quando vengono raffreddati al di sotto di una certa temperatura, hanno cercato modi per studiare in dettaglio le interazioni degli elettroni che si ritiene siano alla base di questa promettente proprietà. Una grande sfida è districare i molti diversi tipi di interazioni, ad esempio, separare gli effetti degli elettroni che interagiscono tra loro da quelli causati dalle loro interazioni con gli atomi del materiale.
Ora un gruppo di scienziati, tra cui fisici del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, ha dimostrato una nuova tecnica "stop-action" guidata dal laser per studiare complesse interazioni di elettroni in condizioni dinamiche. Come descritto in un articolo appena pubblicato su Comunicazioni sulla natura , ne usano uno molto veloce, laser "a pompa" intenso per dare agli elettroni un'esplosione di energia, e un secondo laser "sonda" per misurare il livello di energia degli elettroni e la direzione del movimento mentre si rilassano tornando al loro stato normale.
"Variando il tempo tra gli impulsi laser della "pompa" e della "sonda" possiamo creare una registrazione stroboscopica di ciò che accade:un film di come appare questo materiale da fermo attraverso l'interazione violenta a come si riassesta, "ha detto il fisico di Brookhaven Jonathan Rameau, uno degli autori principali dell'articolo. "È come far cadere una palla da bowling in un secchio d'acqua per causare un grande disturbo, e poi scattare foto in vari momenti in seguito, " Lui ha spiegato.
La tecnica, noto come risolto nel tempo, spettroscopia fotoelettronica ad angolo risolta (tr-ARPES), combinato con complesse simulazioni e analisi teoriche, ha permesso al team di scoprire la sequenza e le "firme" energetiche di diversi tipi di interazioni elettroniche. Sono stati in grado di individuare segnali distinti di interazioni tra elettroni eccitati (che avvengono rapidamente ma non dissipano molta energia), così come interazioni casuali successive tra gli elettroni e gli atomi che compongono il reticolo cristallino (che generano attrito e portano a una graduale perdita di energia sotto forma di calore).
Ma ne scoprirono anche un altro, segnale inaspettato, che dicono rappresenti una forma distinta di perdita di energia estremamente efficiente a un particolare livello di energia e scala temporale tra gli altri due.
"Vediamo un'interazione molto forte e peculiare tra gli elettroni eccitati e il reticolo in cui gli elettroni perdono la maggior parte della loro energia molto rapidamente in modo coerente, modo non casuale, " disse Rameau. A questo livello di energia speciale, Lui ha spiegato, gli elettroni sembrano interagire con gli atomi del reticolo che vibrano tutti a una particolare frequenza, come un diapason che emette una singola nota. Quando tutti gli elettroni che hanno l'energia necessaria per questa interazione unica hanno ceduto la maggior parte della loro energia, iniziano a raffreddarsi più lentamente colpendo gli atomi in modo più casuale senza colpire la frequenza "di risonanza", Egli ha detto.
I fisici del Brookhaven Lab Peter Johnson (dietro) e Jonathan Rameau. Credito:Brookhaven National Laboratory
La frequenza della speciale interazione reticolare "nota" è particolarmente degna di nota, dicono gli scienziati perché il suo livello di energia corrisponde a un "kink" nella firma energetica dello stesso materiale nel suo stato superconduttore, che è stato identificato per la prima volta dagli scienziati di Brookhaven utilizzando una forma statica di ARPES. A seguito di quella scoperta, molti scienziati hanno suggerito che il nodo potrebbe avere qualcosa a che fare con la capacità del materiale di diventare un superconduttore, perché non è facilmente osservabile al di sopra della temperatura del superconduttore.
Ma i nuovi esperimenti risolti nel tempo, che sono state fatte sul materiale ben al di sopra della sua temperatura superconduttiva, sono stati in grado di stuzzicare il segnale sottile. Queste nuove scoperte indicano che questa condizione speciale esiste anche quando il materiale non è un superconduttore.
"Ora sappiamo che questa interazione non si attiva solo quando il materiale diventa un superconduttore; in realtà è sempre presente, " disse Rameau.
Gli scienziati credono ancora che ci sia qualcosa di speciale nel livello di energia dell'interazione unica simile a un diapason. A questo stesso livello energetico sono stati osservati altri fenomeni intriganti, che Rameau dice che è stato studiato nei minimi dettagli.
È possibile, lui dice, che l'interazione reticolare di una nota gioca un ruolo nella superconduttività, ma richiede un fattore aggiuntivo ancora da determinare per attivare la superconduttività.
"C'è chiaramente qualcosa di speciale in questa nota, " disse Rameau.
