Questa immagine prodotta dal microscopio a scansione di immagini spettroscopiche rivela la posizione di ogni atomo sulla superficie, così come ogni singolo difetto atomico nel campo visivo. I puntini bianchi che compongono i quadrati disposti a 45 gradi rispetto all'asse x/y sono atomi di selenio (Se), mentre i difetti - atomi di Fe mancanti nel piano Fe, circa un quarto di nanometro al di sotto della superficie del Se - si presentano come perturbazioni a forma di farfalla prodotte dall'interferenza quantistica degli elettroni che si disperdono dai difetti. Questi modelli di interferenza di dispersione hanno portato alla scoperta dell'accoppiamento orbitale selettivo di Cooper in FeSe. Credito:Brookhaven Lab/Cornell U
Un team di scienziati ha trovato prove per un nuovo tipo di accoppiamento di elettroni che potrebbe ampliare la ricerca di nuovi superconduttori ad alta temperatura. Le scoperte, descritto nella rivista Science, fornire la base per una descrizione unificante di come materiali "genitori" radicalmente diversi - composti isolanti a base di rame e composti metallici a base di ferro - possano sviluppare la capacità di trasportare corrente elettrica senza resistenza a temperature sorprendentemente elevate.
Secondo gli scienziati, le caratteristiche elettroniche dissimili dei materiali in realtà sono la chiave della comunanza.
"Gli scienziati hanno pensato che poiché il punto di partenza per la superconduttività in queste due classi di materiali è così diverso, sono necessari diversi approcci teorici per descriverli, " disse J.C. Séamus Davis, un fisico presso il Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) e la Cornell University, che ha guidato il team di scienziati sperimentali. "Anziché, siamo stati motivati a esplorare ciò che è universale su questi due sistemi. Idealmente, ci dovrebbe essere solo una spiegazione."
Gli scienziati hanno generalmente capito che il meccanismo della superconduttività nei composti di ossido di rame dipende dalla capacità degli elettroni degli atomi di rame adiacenti di accoppiarsi. Ogni atomo di rame ha un singolo, elettrone spaiato nel suo guscio energetico più esterno, o orbitale. Mentre gli elettroni più esterni sugli atomi di rame adiacenti interagiscono fortemente tra loro, di solito rimangono bloccati sul posto, bloccato in un "ingorgo della meccanica quantistica" senza un posto dove andare, ha detto Davis. Senza elettroni in movimento, il materiale funge da isolante elettrico "fortemente correlato".
La rimozione di alcuni degli elettroni che risiedono sugli atomi di rame si traduce in vacanze di elettroni note come buchi. Ciò allevia l'ingorgo del traffico quantistico in modo che, quando il materiale viene raffreddato ad una certa temperatura, gli elettroni allineati in modo opposto (partner magnetici in cui lo "spin" di un elettrone punta verso l'alto e quello adiacente punta verso il basso) formano coppie e poi diventano liberi di sfrecciare attraverso il materiale senza impedimenti:un superconduttore.
atomi di ferro, che hanno un nucleo con carica positiva più piccola del rame, esercitare una minore attrazione sugli elettroni circolanti. Quindi, invece di riempire gli orbitali elettronici, gli elettroni in diversi orbitali energetici esterni rimangono spaiati, ancora allineati tra loro ed elettronicamente attivi. L'allineamento di elettroni spaiati in più orbitali conferisce al ferro semplice le sue forti proprietà magnetiche e metalliche, quindi è facile capire perché i composti di ferro sarebbero buoni conduttori. Ma non è molto chiaro come potrebbero diventare superconduttori a resistenza zero ad alte temperature senza le forti interazioni che creano uno stato isolante correlato nei materiali a base di rame.
Per affrontare questo enigma, i fisici teorici iniziarono a considerare la possibilità che gli elettroni spaiati nei diversi orbitali del ferro potessero assumere ruoli molto diversi. Forse gli elettroni spaiati in un particolare orbitale potrebbero accoppiarsi con gli elettroni nello stesso orbitale su un atomo adiacente per trasportare la supercorrente, mentre gli elettroni negli altri orbitali forniscono l'isolante, magnetico, e proprietà metalliche.
"La sfida è trovare un modo per vedere che alcuni degli elettroni sono superconduttori e alcuni sono isolanti nello stesso cristallo, " ha detto Davis.
La superconduttività a base di ferro si verifica in materiali come il seleniuro di ferro (FeSe) che contengono piani cristallini costituiti da una matrice quadrata di atomi di ferro (Fe), qui raffigurato. In questi strati di ferro, ogni atomo di Fe ha due nubi di elettroni attive, ' o orbitali--dxz (rosso) e dyz (blu)--ciascuno contenente un elettrone. Visualizzando direttamente gli stati degli elettroni nei piani di ferro di FeSe, i ricercatori hanno rivelato che gli elettroni negli orbitali dxz (rosso) non formano coppie di Cooper né contribuiscono alla superconduttività, ma formano invece uno stato metallico incoerente lungo l'asse orizzontale (x). In contrasto, tutti gli elettroni negli orbitali dyz (blu) formano forti coppie di Cooper con atomi vicini per generare superconduttività. La ricerca di altri materiali con questo esotico accoppiamento "orbitale-selettivo" potrebbe portare alla scoperta di nuovi superconduttori. Credito:Brookhaven Lab/Cornell U
La ricerca pubblicata su Scienza fornisce la prima prova diretta che tale accoppiamento elettronico "orbitale-selettivo" ha luogo.
Il team di teoria per questo progetto-Andreas Kreisel (Università di Lipsia), Peter Hirschfeld (Università della Florida), e Brian Anderson (Università di Copenaghen) hanno definito le firme elettroniche che dovrebbero essere associate a ciascun orbitale sugli atomi di ferro. Quindi, gli sperimentalisti Peter Sprau e Andrey Kostin (entrambi di Brookhaven Lab e Cornell) hanno utilizzato un microscopio a scansione a effetto tunnel presso il Center for Emergent Superconductivity, un centro di ricerca DOE Energy Frontier presso il Brookhaven Lab, per misurare l'energia e la quantità di moto degli elettroni in campioni di seleniuro di ferro che sono stati sintetizzati da Anna Bohmer e Paul Canfield presso l'Ames Laboratory del DOE. Il confronto delle misurazioni con le firme elettroniche previste ha permesso agli scienziati di identificare quali elettroni erano associati a ciascun orbitale.
Con queste informazioni, "Possiamo misurare l'energia di legame e il momento degli elettroni nelle "coppie Cooper" responsabili della superconduttività e identificare quali caratteristiche del momento energetico hanno, da quale orbitale provengono, " ha detto Davis.
"Siamo stati in grado di dimostrare che quasi tutti gli elettroni nelle coppie Cooper nel seleniuro di ferro provenivano da un particolare orbitale di energia inferiore (l'orbitale d_yz), "Ha detto Davis. I risultati implicano anche che l'elettrone nell'orbitale più esterno del ferro nel seleniuro di ferro mostra proprietà virtualmente isolanti, proprio come nei composti di ossido di rame.
"Poiché il seleniuro di ferro mostra normalmente una buona conduttività metallica, come si potrebbe mai sapere che gli elettroni in questo orbitale agiscono come in isolanti correlati? Questo stato fortemente interagente e virtualmente isolante si nascondeva in bella vista!" ha detto.
Con questo stato isolante orbitale esterno, il composto di ferro ha tutti gli stessi requisiti di superconduttività degli ossidi di rame:una forte interazione magnetica (accoppiamento up/down) degli elettroni quasi localizzati, e uno stato metallico che permette a quelle coppie di muoversi. La grande differenza è che nel seleniuro di ferro, questi contributi provengono da diversi elettroni in tre orbitali attivi separati, invece del singolo elettrone in un orbitale attivo nel rame.
"Nel ferro hai la conduttività gratis. E hai il magnetismo gratis, ma si basa su un elettrone diverso. Entrambi coesistono nello stesso atomo, "Ha detto Davis. Quindi, una volta che hai le coppie Cooper, sembra che non sia necessario aggiungere fori per far circolare la corrente.
Questa realizzazione può ampliare la ricerca di nuovi superconduttori che possono potenzialmente operare in condizioni più calde. Tali superconduttori ad alta temperatura sarebbero più pratici per il mondo reale, applicazioni di risparmio energetico come linee elettriche o dispositivi di accumulo di energia.
"Invece di cercare nuovi isolanti antiferromagnetici a singolo elettrone come l'ossido di rame per realizzare superconduttori ad alta temperatura, forse dovremmo cercare nuovi altamente magnetici, materiali metallici che hanno proprietà come il ferro ma in una disposizione orbitale selettiva, "Ha detto Davis. "Questo apre il mondo della scienza dei materiali a molti nuovi tipi di materiali che potrebbero essere superconduttori ad alta temperatura".
