La manipolazione del flusso di energia attraverso i superconduttori potrebbe trasformare radicalmente la tecnologia, forse portando ad applicazioni come ultraveloci, computer quantistici altamente efficienti. Ma queste sottili dinamiche, inclusa la dispersione del calore, si manifestano con velocità assurda attraverso vertiginose strutture subatomiche.

Ora, gli scienziati hanno tracciato interazioni mai viste prima tra gli elettroni e la struttura del reticolo cristallino dei superconduttori di ossido di rame. La collaborazione, guidato da scienziati del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), ha raggiunto una precisione di misurazione più veloce di un trilionesimo di secondo grazie a una rivoluzionaria combinazione di tecniche sperimentali.

"Questa svolta offre diretta, una visione fondamentale delle caratteristiche sconcertanti di questi straordinari materiali, ", ha affermato Yimei Zhu, scienziato del Brookhaven Lab, che ha condotto la ricerca. "Abbiamo già avuto prove di come le vibrazioni del reticolo influenzino l'attività degli elettroni e disperdano il calore, ma è stato tutto per deduzione. Ora, finalmente, possiamo vederlo direttamente."

I risultati, pubblicato il 27 aprile sulla rivista Progressi scientifici , potrebbe far avanzare la ricerca in potenti, fenomeni fugaci trovati negli ossidi di rame, inclusa la superconduttività ad alta temperatura, e aiutano gli scienziati a progettare nuovi, materiali più performanti.

"Abbiamo trovato un paesaggio atomico sfumato, dove certe alte frequenze, le vibrazioni "calde" all'interno del superconduttore assorbono rapidamente energia dagli elettroni e aumentano di intensità, " ha detto la prima autrice Tatiana Konstantinova, un dottorato di ricerca studentessa della Stony Brook University che svolge il suo lavoro di tesi al Brookhaven Lab. "Altre sezioni del reticolo, però, erano lenti a reagire. Vedere questo tipo di interazione a più livelli trasforma la nostra comprensione degli ossidi di rame".

Gli scienziati hanno utilizzato la diffrazione elettronica ultraveloce e la spettroscopia di fotoemissione per osservare i cambiamenti nell'energia e nella quantità di moto degli elettroni, nonché le fluttuazioni nella struttura atomica.

Altre istituzioni che collaborano includono SLAC National Accelerator Laboratory, Università statale della Carolina del Nord, Università di Georgetown, e l'Università di Duisburg-Essen in Germania.

Vibrazioni attraverso un albero cristallino

Il team ha scelto Bi ₂ Sr ₂ CaCu ₂ oh ₈ , un noto ossido di rame superconduttore che mostra le interazioni forti centrali per lo studio. Anche a temperature prossime allo zero assoluto, il reticolo atomico cristallino vibra e leggerissimi impulsi di energia possono far aumentare le vibrazioni in ampiezza.

"Queste vibrazioni atomiche sono irreggimentate e discrete, nel senso che si dividono su frequenze specifiche, " disse Zhu. "Chiamiamo fononi le vibrazioni con frequenze specifiche, ' e le loro interazioni con gli elettroni in movimento erano il nostro obiettivo".

Questo sistema di interazioni è un po' come la distribuzione dell'acqua attraverso un albero, Konstantinova ha spiegato. Esposto alla pioggia, solo le radici possono assorbire l'acqua prima di diffonderla attraverso il tronco e nei rami.

"Qui, l'acqua è come energia, piove sulla struttura ramificata del superconduttore, e il suolo è come i nostri elettroni, " disse Konstantinova. "Ma quegli elettroni interagiranno solo con certi fononi, quale, a sua volta, ridistribuire l'energia. Quei fononi sono come il nascosto, "radici" altamente interattive che dovevamo rilevare."

Istantanee atomiche guidate dal raggio

Gli atomi si flettono e si spostano su scale temporali estremamente veloci:pensate a 100 femtosecondi, o milioni di miliardesimi di secondo, e quei movimenti devono essere individuati per capire il loro effetto. E, idealmente, sezionare e manipolare queste interazioni.

Il team ha utilizzato un su misura, composto stratificato a base di bismuto, che può essere tagliato in campioni da 100 nanometri attraverso l'applicazione relativamente semplice dello scotch.

Il materiale è stato quindi testato utilizzando la cosiddetta tecnica "pump-probe" di diffrazione elettronica ultraveloce da un milione di elettronvolt (MeV-UED). Come in esperimenti simili risolti nel tempo, un impulso luminoso veloce (pompa) ha colpito il campione, della durata di soli 100 femtosecondi e depositando energia. Seguì un fascio di elettroni, rimbalzato sul reticolo cristallino, e un rivelatore ha misurato il suo modello di diffrazione. La ripetizione di questo processo, come una serie di istantanee atomiche, ha rivelato il rapido, sottile spostamento delle vibrazioni atomiche nel tempo.

Dopo i primi esperimenti MeV-UED al Brookhaven Lab, la raccolta dei dati è proseguita presso la struttura UED del SLAC National Accelerator Laboratory durante il trasferimento dello strumento Brookhaven in un altro edificio. Colleghi della struttura SLAC UED, guidato da Xijie Wang, assistito all'esperimento.

La diffrazione elettronica, però, fornito solo metà dell'immagine. Utilizzando la spettroscopia di fotoemissione risolta in tempo e angolo (tr-ARPES), il team ha monitorato i cambiamenti negli elettroni all'interno del materiale. Un laser iniziale ha colpito il campione e un secondo è seguito rapidamente, ancora una volta con una precisione di 100 femtosecondi, per espellere gli elettroni dalla superficie. Il rilevamento di quegli elettroni in volo ha rivelato cambiamenti nel tempo sia in energia che in quantità di moto.

Gli esperimenti tr-ARPES sono stati condotti presso la struttura dell'Università di Duisburg-Essen dagli scienziati del Brookhaven Lab Jonathan Rameau e Peter Johnson e dai loro colleghi tedeschi. Gli scienziati della North Carolina State University e della Georgetown University hanno fornito supporto teorico.

"Entrambe le tecniche sperimentali sono piuttosto sofisticate e richiedono sforzi di esperti in più discipline, dall'ottica laser agli acceleratori e alla fisica della materia condensata, " ha detto Konstantinova. "Il calibro degli strumenti e la qualità del campione ci hanno permesso di distinguere tra diversi tipi di vibrazioni reticolari".

Il team ha dimostrato che le vibrazioni atomiche evidenti nelle interazioni elettrone-reticolo sono varie e, in alcuni modi, controintuitivo.

Quando il reticolo assorbe energia dagli elettroni, l'ampiezza dei fononi ad alta frequenza aumenta per prima mentre le vibrazioni a frequenza più bassa aumentano per ultime. Le diverse velocità di flusso di energia tra le vibrazioni significa che il campione, quando sottoposto a una raffica di fotoni, si muove attraverso nuove fasi che verrebbero aggirate se semplicemente esposte al calore.

"I nostri dati guidano le nuove descrizioni quantitative del comportamento di non equilibrio nei sistemi complessi, " Konstantinova ha detto. "L'approccio sperimentale si applica facilmente ad altri materiali eccitanti in cui le interazioni elettrone-reticolo sono di grande interesse".