Impulsi laser intensi sono stati usati per fotoeccitare composti di bismutato, in cui le “onde di densità di carica” (lato sinistro) coesistono con la superconduttività (lato destro). Credito:Joerg M. Harms, MPSD
Uno studio condotto dagli scienziati del Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter (MPSD) presso il Center for Free-Electron Laser Science di Amburgo presenta prove della coesistenza di superconduttività e "onde di densità di carica" nei composti del famiglia di bismutati poco studiata. Questa osservazione apre nuove prospettive per una comprensione più profonda del fenomeno della superconduttività ad alta temperatura, un argomento che è al centro della ricerca sulla materia condensata da oltre 30 anni. L'articolo di Nicoletti et al è stato pubblicato su PNAS .
Dall'inizio del XX secolo, la superconduttività era stata osservata in alcuni metalli a temperature solo di pochi gradi sopra lo zero assoluto (meno 273 gradi Celsius). Solo negli anni '80, i fisici sono riusciti a sintetizzare nuove classi di composti, a base di materiali ceramici, che erano in grado di condurre elettricità senza perdite a temperature fino a 138 K (meno 135 gradi Celsius). Questi sono stati chiamati "superconduttori ad alta temperatura".
La famiglia più conosciuta e studiata di superconduttori ad alta temperatura è quella dei cuprati, che mostrano le temperature critiche di gran lunga più elevate (cioè la temperatura al di sotto della quale si verifica la superconduttività), e sono quindi le più promettenti per le applicazioni. Però, esiste un'ampia varietà di altri composti, che manifestano superconduttività anche a temperature abbastanza elevate, tra questi i pnictides ferrosi recentemente scoperti.
Manca ancora un quadro universale in grado di descrivere la fisica dietro il fenomeno della superconduttività ad alta temperatura. Però, un'importante comunanza tra quasi tutti i superconduttori ad alta temperatura è l'emergere della superconduttività in prossimità di altre fasi esotiche della materia, come le "onde di densità di carica". Tutti questi materiali possono essere tipicamente sintonizzati da una fase all'altra, possibilmente raggiungere la superconduttività, dal doping chimico, pressione esterna, o campi magnetici. Però, la sottile interrelazione di queste fasi rimane poco compresa, e in qualche caso, ci sono prove che le onde di densità di carica e la superconduttività possono anche coesistere microscopicamente nello stesso composto.
In tali circostanze, esperimenti eseguiti stimolando materiali con ultracorti, In passato è stato dimostrato che impulsi laser intensi (di poche centinaia di femtosecondi) forniscono nuove informazioni sulla fisica di questi sistemi. Per esempio, il gruppo di Andrea Cavalleri al MPSD di Amburgo ha già dimostrato con successo che, in alcuni composti cuprati, tali impulsi possono essere utilizzati per rimuovere le onde di densità di carica e promuovere la superconduttività a temperature più elevate, possibilmente anche fino a temperatura ambiente (W. Hu, Materiali della natura , 13, 705-711 e R. Mankowsky, Natura 516 , 71-73).
Nel presente lavoro, Nicoletti, Cavalleri e collaboratori si sono concentrati su mescole diverse, appartenente alla famiglia dei bismutati poco studiata. Questi superconduttori sono stati scoperti negli anni '70, anche prima dei cuprati, ma hanno attirato meno attenzione a causa delle loro temperature critiche molto più basse (circa 30 K). Condividono molti punti in comune, ma anche alcune differenze con i loro parenti più noti. In particolare, il cosiddetto "composto genitore", BaBiO(3), ha una robusta fase d'onda di densità di carica, da cui emerge la superconduttività per sostituzione chimica.
Cristalli di alta qualità di BaPb 1-x BixO 3 , con diverse concentrazioni di Pb "x", sono stati sintetizzati e caratterizzati da Ian R. Fisher e P. Giraldo-Gallo della Stanford University, California. Il team di Amburgo ha eseguito una serie di esperimenti su questi cristalli, in cui hanno fotoeccitato i materiali con impulsi laser molto brevi e intensi e misurato come la loro conduttività è stata modificata transitoriamente e rilassata al valore iniziale in pochi picosecondi. Analizzando la dipendenza di tale segnale dalla frequenza, temperatura, e concentrazione di Pb, potrebbero assegnarlo in modo univoco a una modifica della fase di carica-densità-onda indotta dal campo laser.
"Sorprendentemente", dice Nicoletti, "siamo stati in grado di misurare questa risposta non solo nel composto progenitore BaBiO 3 , per cui è ben nota l'esistenza di un'onda di densità di carica, ma anche in un composto superconduttore drogato con Pb. Questa osservazione è una dimostrazione indiretta della coesistenza di onde densità di carica e superconduttività nello stesso materiale, qualcosa di cui si è discusso in precedenza, ma mai definitivamente stabilito in questa classe di materiali".
Gli scienziati sono stati anche in grado di determinare esattamente le scale energetiche associate alla modifica delle onde di densità di carica, fornendo così nuove informazioni sulla loro interazione dinamica con la superconduttività nei bismutati.
Questi risultati sono particolarmente tempestivi dato che le onde di densità di carica sono state recentemente trovate in diversi superconduttori cuprati, indicando una sorprendente comunanza tra alcuni aspetti di questi materiali. Il presente esperimento è un ulteriore esempio di come la luce può essere impiegata per indagare, controllo, e manipolare materiali complessi. Uno degli obiettivi finali di questa linea di ricerca è fornire una guida all'ingegneria dei materiali per sviluppare nuove funzionalità a temperature sempre più elevate.
