Un'animazione mostra come un raggio laser infrarosso (arancione) innesca vibrazioni atomiche in un sottile strato di seleniuro di ferro, che vengono poi registrati da impulsi laser a raggi X ultraveloci per creare un filmato ultraveloce. Il movimento degli atomi di selenio (rosso) cambia l'energia degli orbitali elettronici degli atomi di ferro (blu), e le vibrazioni degli elettroni risultanti vengono registrate separatamente con una tecnica chiamata ARPES (non mostrata). Credito:Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Gli scienziati dello SLAC National Accelerator Laboratory del Department of Energy e della Stanford University hanno effettuato le prime misurazioni dirette, e di gran lunga i più precisi, di come gli elettroni si muovono in sincronia con le vibrazioni atomiche che si increspano attraverso un materiale esotico, come se stessero ballando allo stesso ritmo.
Le vibrazioni sono chiamate fononi, e l'accoppiamento elettrone-fonone misurato dai ricercatori era 10 volte più forte di quanto previsto dalla teoria, rendendolo abbastanza forte da svolgere potenzialmente un ruolo nella superconduttività non convenzionale, che consente ai materiali di condurre elettricità senza perdite a temperature inaspettatamente elevate.
Cosa c'è di più, l'approccio che hanno sviluppato offre agli scienziati un modo completamente nuovo e diretto per studiare un'ampia gamma di materiali "emergenti" le cui proprietà sorprendenti emergono dal comportamento collettivo delle particelle fondamentali, come gli elettroni. Il nuovo approccio indaga questi materiali solo attraverso esperimenti, piuttosto che basarsi su ipotesi basate sulla teoria.
Gli esperimenti sono stati condotti con il laser a elettroni liberi a raggi X Linac Coherent Light Source (LCLS) di SLAC e con una tecnica chiamata spettroscopia di fotoemissione ad angolo risolta (ARPES) nel campus di Stanford. I ricercatori hanno descritto lo studio oggi su Science.
Un approccio "rivoluzionario"
"Credo che questo risultato avrà diversi impatti, " disse Giulia Galli, un professore presso l'Istituto di ingegneria molecolare dell'Università di Chicago e scienziato senior presso l'Argonne National Laboratory del DOE che non è stato coinvolto nello studio.
"Naturalmente hanno applicato il metodo a un materiale molto importante, uno che tutti hanno cercato di capire e capire, e questo è fantastico, " ha detto. "Ma il fatto che mostrino di essere in grado di misurare l'interazione elettrone-fonone, che è così importante in così tanti materiali e processi fisici, questo, Credo, è una svolta che aprirà la strada a molti altri esperimenti su molti altri materiali".
La capacità di effettuare questa misurazione, lei ha aggiunto, consentirà agli scienziati di convalidare teorie e calcoli che descrivono e prevedono la fisica di questi materiali in un modo che non sono mai stati in grado di fare prima.
In questa illustrazione, un raggio laser infrarosso (arancione) innesca vibrazioni atomiche in un sottile strato di seleniuro di ferro, che vengono poi registrati da impulsi laser a raggi X ultraveloci (bianchi) per creare un filmato ultraveloce. Il movimento degli atomi di selenio (rosso) cambia l'energia degli orbitali elettronici degli atomi di ferro (blu), e le vibrazioni degli elettroni risultanti vengono registrate separatamente con una tecnica chiamata ARPES (non mostrata). L'accoppiamento delle posizioni atomiche e delle energie elettroniche è molto più forte di quanto si pensasse in precedenza e potrebbe avere un impatto significativo sulla superconduttività del materiale. Credito:Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
"Queste misurazioni di precisione ci forniranno informazioni approfondite su come si comportano questi materiali, " disse Zhi-Xun Shen, un professore allo SLAC ea Stanford e ricercatore con lo Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) che ha guidato lo studio.
"Film" straordinariamente precisi
Il team ha utilizzato LCLS di SLAC per misurare le vibrazioni atomiche e ARPES per misurare l'energia e la quantità di moto degli elettroni in un materiale chiamato seleniuro di ferro. La combinazione delle due tecniche ha permesso loro di osservare l'accoppiamento elettrone-fonone con straordinaria precisione, su una scala temporale di femtosecondi - milionesimi di miliardesimo di secondo - ed entro circa un miliardesimo della larghezza di un capello umano.
"Siamo stati in grado di fare un 'film, ' utilizzando l'equivalente di due fotocamere per registrare le vibrazioni atomiche e i movimenti degli elettroni, e mostra che si dimenano allo stesso tempo, come due onde stazionarie sovrapposte, " ha detto il co-autore Shuolong Yang, un ricercatore post-dottorato presso la Cornell University.
"Non è un film nel senso ordinario delle immagini che puoi guardare su uno schermo, " ha detto. "Ma cattura i movimenti dei fononi e degli elettroni in fotogrammi girati 100 trilioni di volte al secondo, e possiamo metterne insieme circa 100, proprio come i fotogrammi di un film, per avere un quadro completo di come sono collegati".
Il seleniuro di ferro che hanno studiato è un materiale curioso. È noto per condurre l'elettricità senza perdite, ma solo a temperature estremamente fredde, e in un modo che non potrebbe essere interamente spiegato da teorie consolidate; ecco perché si chiama superconduttore non convenzionale.
Alla ricerca di un indizio intrigante
Ma cinque anni fa, un gruppo di ricerca in Cina ha riportato un'osservazione intrigante:quando uno strato atomicamente sottile di seleniuro di ferro viene posto sopra un altro materiale chiamato STO, chiamato per i suoi ingredienti principali stronzio, titanio e ossigeno:la sua temperatura massima superconduttiva salta da 8 gradi a 60 gradi sopra lo zero assoluto, o meno 213 gradi Celsius. Anche se fa ancora molto freddo, è una temperatura molto più alta di quanto gli scienziati si aspettassero, e rientra nel range di funzionamento dei cosiddetti "superconduttori ad alta temperatura, " la cui scoperta nel 1986 ha scatenato una frenesia di ricerca a causa dell'impatto rivoluzionario che questi trasmettitori elettrici perfettamente efficienti potrebbero avere sulla società.
SLAC/Professore di Stanford Zhi-Xun Shen, sinistra, e lo scienziato dello staff SLAC Patrick Kirchmann con lo strumento ARPES utilizzato per misurare l'energia e la quantità di moto degli elettroni in un film di seleniuro di ferro. Credito:Dawn Harmer/SLAC National Accelerator Laboratory
Seguendo questo indizio, Il gruppo di Shen ha esaminato la stessa combinazione di materiali con ARPES. In un articolo del 2014 su Nature, hanno concluso che le vibrazioni atomiche nella STO viaggiano verso l'alto nel seleniuro di ferro e forniscono agli elettroni l'energia aggiuntiva di cui hanno bisogno per accoppiarsi e trasportare elettricità con perdita zero a temperature più elevate di quanto farebbero da soli.
Ciò ha suggerito che gli scienziati potrebbero essere in grado di raggiungere temperature superconduttive massime ancora più elevate modificando una serie di variabili, come la natura del substrato sotto un film superconduttore, tutto allo stesso tempo.
Ma questo accoppiamento di vibrazioni atomiche e comportamento collaborativo degli elettroni potrebbe avvenire anche nel solo seleniuro di ferro, senza una spinta da un substrato? Questo è ciò che l'attuale studio mirava a scoprire.
Come battere una campana con un martello
La squadra di Shen ha fatto un più spesso, film di seleniuro di ferro atomicamente uniforme e colpirlo con luce laser infrarossa per eccitare le sue vibrazioni atomiche di 5 trilioni di volte al secondo, come battere delicatamente una campana con un piccolo martello, Lo scienziato e co-autore dello SLAC Patrick Kirchmann ha affermato. Questo ha fatto oscillare le vibrazioni in sincronia l'una con l'altra per tutto il film, quindi potrebbero essere più facilmente osservati.
Il team ha quindi misurato le vibrazioni atomiche del materiale e il comportamento degli elettroni in due esperimenti separati. Yang, che all'epoca era uno studente laureato a Stanford, ha condotto la misurazione ARPES. Simone Gerber, un ricercatore post-dottorato nel gruppo di Shen, ha condotto le misurazioni LCLS allo SLAC; da allora è entrato a far parte dello SwissFEL presso l'Istituto Paul Scherrer in Svizzera come scienziato del personale.
Il nuovo studio non dimostra che l'accoppiamento delle vibrazioni atomiche ed elettroniche fosse responsabile dell'aumento della temperatura superconduttiva del seleniuro di ferro negli studi precedenti, ha detto Kirchmann. Ma la combinazione di laser a raggi X e osservazioni ARPES dovrebbe fornire nuove e più sofisticate intuizioni sulla fisica dei sistemi materiali in cui diversi fattori sono in gioco contemporaneamente, e si spera di far avanzare il campo più velocemente.
