Vidya Madhavan, professore di fisica all'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign, lavora con gli studenti nel suo laboratorio, nel laboratorio di ricerca sui materiali Frederick Seitz. Madhavan è specializzato nella sperimentazione della materia condensata. Credito:Università dell'Illinois a Urbana-Champaign
Dalla scoperta due decenni fa del superconduttore topologico non convenzionale Sr 2 RuO 4 , gli scienziati hanno ampiamente studiato le sue proprietà a temperature inferiori alla sua temperatura critica di 1°K (Tc), in cui si verifica una transizione di fase da uno stato metallico a uno stato superconduttore. Ora esperimenti fatti all'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign nei laboratori Madhavan e Abbamonte, in collaborazione con ricercatori di sei istituzioni negli Stati Uniti, Canada, Regno Unito, e Giappone, hanno gettato nuova luce sulle proprietà elettroniche di questo materiale a temperature di 4°K sopra Tc. I risultati del team potrebbero chiarire domande ancora irrisolte su Sr 2 RuO 4 proprietà emergenti nello stato superconduttore.
Vidya Madhavan, professore di fisica e membro del Frederick Seitz Materials Research Lab presso l'U. of I., condotto l'esperimento. lei spiega, "Siamo partiti dal presupposto ampiamente diffuso che, in Sri 2 RO 4 il normale stato metallico al di sopra della sua Tc, le interazioni degli elettroni sarebbero sufficientemente deboli, in modo che lo spettro delle eccitazioni o degli stati elettronici sarebbe ben definito."
Madhavan continua, "Però, e questa è una grande sorpresa, il nostro team ha osservato grandi effetti di interazione nel normale stato metallico. Gli elettroni nei metalli hanno quantità di moto ed energia ben definite. Nei metalli semplici, a basse temperature gli elettroni occupano tutti gli stati di quantità di moto in una regione delimitata da una "superficie di Fermi". Qui abbiamo scoperto che la velocità degli elettroni in alcune direzioni attraverso la superficie di Fermi era ridotta di circa il 50 percento, che non è previsto. Abbiamo visto effetti di interazione simili nella densità di tunneling degli stati. Si tratta di una riduzione significativa, ed è stata una grande sorpresa. Pensavamo di trovare solo la forma della superficie di Fermi, ma invece, otteniamo queste anomalie."
Questa ricerca si basa su tecniche di misurazione della corrente che sono altamente sensibili, ottenendo risultati molto precisi. Le immagini a-c rappresentano mappe di conduttanza a diversi livelli di energia. Le immagini ad alta risoluzione da d a l sono state scattate con la spettroscopia di tunneling a scansione di trasformata di Fourier; il quadrato luminoso rivela la presenza di un elettrone con una particolare lunghezza d'onda. Nello stato superconduttore, queste luci scomparirebbero quando gli elettroni si accoppiano in coppie di Cooper. Immagine per gentile concessione di Vidya Madhavan, Università dell'Illinois a Urbana-Champaign, Dipartimento di Fisica e Laboratorio di Ricerca sui Materiali di Frederick Seitz Credito:Dipartimento di Fisica dell'Università dell'Illinois
Eduardo Fradkin, professore di fisica e direttore dell'Institute for Condensed Matter Theory presso l'U. of I., Commenti, "Le proprietà elettroniche di base di questo materiale sono note da tempo. Gli scienziati studiano questo materiale perché dovrebbe essere un semplice sistema per testare gli effetti scientifici. Ma il materiale è stato anche fonte di dibattito in corso sul campo:si tratta di un superconduttore ad onda p, con accoppiamento spin-tripletta. Ciò ha suggerito che lo stato superconduttore potrebbe essere di natura topologica. Capire come questo sistema diventi superconduttore è una domanda aperta e intrigante".
La svolta nella comprensione delle proprietà sconcertanti dello stato superconduttore del materiale potrebbe risiedere in questo stato anomalo normale (non superconduttore). In uno stato metallico normale convenzionale a bassa temperatura, gli stati elettronici si comportano come quasi-particelle ben definite, come descritto dalla teoria dei liquidi di Landau-Fermi. Ma i ricercatori hanno trovato anomalie nelle interazioni delle particelle a 5 ° K che in realtà caratterizzano Sr 2 RuO 4 come un "metallo fortemente correlato".
Nell'esperimento, Il team di Madhavan ha passato gli elettroni nel materiale usando una punta metallica elettronica, quindi misurato la corrente risultante utilizzando due tecniche altamente avanzate e complementari, Spettroscopia a effetto tunnel a scansione con trasformata di Fourier e spettroscopia di perdita di energia degli elettroni risolta dal momento. In quattro esecuzioni di dati, gli scienziati hanno scoperto un cambiamento significativo nella probabilità di tunneling elettronico vicino a energia zero, rispetto ai liquidi di Fermi.
"Siamo rimasti sorpresi di vedere così tante informazioni ricche, " condivide Madhavan. "Abbiamo iniziato a parlare con Eduardo della teoria e con Peter Abbamonte dei suoi esperimenti. Il gruppo di Abbamonte, applicando la tecnica della spettroscopia di perdita di energia degli elettroni risolta in quantità di moto, trova anche interazioni con modalità collettive alle stesse energie."
"La domanda aperta ora, abbiamo trovato qualcosa di interessante a 4°K sopra la transizione di fase superconduttiva. Che significato ha questo per ciò che sta accadendo al di sotto della temperatura del superconduttore?" Madhavan continua. Il team prevede di approfondire la domanda successiva:"Quando Vidya passa allo stato di superconduttore, ne sapremo di più, " Afferma Fradkin. "Questi risultati le consentiranno di adottare un approccio unico per rivelare il parametro dell'ordine superconduttore di questo materiale nei prossimi esperimenti".
La pubblicazione anticipata online di questi risultati è apparsa l'8 maggio 2017, in Fisica della natura .
