La superficie di Fermi, o lo stato più occupato nella struttura elettronica, consente la determinazione diretta del livello di doping. Questa immagine mostra la superficie di Fermi dell'altamente drogato, BSCCO non superconduttore in cui i fori sono stati aggiunti nel materiale mediante esposizione all'ozono. Credito:Brookhaven National Laboratory
Gli scienziati che tracciano le caratteristiche quantistiche dei superconduttori, materiali che conducono elettricità senza perdita di energia, sono entrati in un nuovo regime. Utilizzando strumenti appena connessi denominati OASIS presso il Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, hanno scoperto dettagli precedentemente inaccessibili del "diagramma di fase" di uno dei superconduttori "ad alta temperatura" più comunemente studiati. I nuovi dati mappati includono segnali di ciò che accade quando la superconduttività svanisce.
"In termini di superconduttività, questo può suonare male, ma se studi qualche fenomeno, è sempre bene poterlo avvicinare dalla sua origine, " ha detto il fisico di Brookhaven Tonica Valla, che ha condotto lo studio appena pubblicato sulla rivista Comunicazioni sulla natura . "Se hai la possibilità di vedere come scompare la superconduttività, che a sua volta potrebbe dare un'idea di ciò che causa la superconduttività in primo luogo."
Svelare i segreti della superconduttività è molto promettente per affrontare le sfide energetiche. I materiali in grado di trasportare la corrente su lunghe distanze senza perdite rivoluzionerebbero la trasmissione di potenza, eliminare la necessità di raffreddare i data center pieni di computer, e portare a nuove forme di accumulo di energia, Per esempio. Il problema è che, attualmente, superconduttori più conosciuti, anche le varietà "alte temperature", devono essere mantenuti molto freddi per eseguire la loro magia che trasporta corrente. Così, gli scienziati hanno cercato di comprendere le caratteristiche chiave che causano la superconduttività in questi materiali con l'obiettivo di scoprire o creare nuovi materiali che possano funzionare a temperature più pratiche per queste applicazioni quotidiane.
Il team di Brookhaven stava studiando un noto superconduttore ad alta temperatura fatto di strati che includono ossido di bismuto, stronzio-ossido, calcio, e ossido di rame (abbreviato come BSCCO). La rottura dei cristalli di questo materiale crea superfici incontaminate di ossido di bismuto. Quando hanno analizzato la struttura elettronica della superficie tagliata incontaminata, hanno visto segni rivelatori di superconduttività a una temperatura di transizione (Tc) di 94 Kelvin (-179 gradi Celsius), la temperatura più alta alla quale la superconduttività si instaura per questo materiale ben studiato.
Il team ha quindi riscaldato campioni in ozono (O3) e ha scoperto che potevano raggiungere livelli di drogaggio elevati ed esplorare porzioni precedentemente inesplorate del diagramma di fase di questo materiale, che è un grafico simile a una mappa che mostra come il materiale cambia le sue proprietà a temperature diverse in condizioni diverse (in modo simile al modo in cui è possibile mappare le coordinate di temperatura e pressione alle quali l'acqua liquida si congela quando viene raffreddata, o si trasforma in vapore quando riscaldato). In questo caso, la variabile a cui gli scienziati erano interessati era il numero di posti vacanti, o "buchi, " erano aggiunti, o "drogato" nel materiale dall'esposizione all'ozono. I fori facilitano il flusso di corrente dando alle cariche (elettroni) un posto dove andare.
"Per questo materiale, se inizi con il cristallo del composto "genitore", che è un isolante (che significa assenza di conduttività), l'introduzione di buchi determina la superconduttività, " disse Valla. Man mano che si aggiungono più buchi, la superconduttività diventa più forte e a temperature più elevate fino ad un massimo di 94 Kelvin, Lui ha spiegato. "Quindi, con più buchi, il materiale diventa "troppo drogato, ' e Tc scende - per questo materiale, a 50K.
Questo diagramma di fase per BSCCO traccia la temperatura (T, in gradi Kelvin, sull'asse y) in cui la superconduttività si pone come sempre più vacanze di carica, o "buchi, " sono drogati nel materiale (orizzontale, asse x). Sul lato sottodrogato della "cupola" (a sinistra), man mano che vengono aggiunti più fori, la temperatura di transizione aumenta fino a un massimo di 94 K, ma man mano che vengono aggiunti più fori, la temperatura di transizione diminuisce. La linea rossa tratteggiata rappresenta la dipendenza precedentemente ipotizzata della "cupola" della superconduttività, " mentre la linea nera rappresenta la dipendenza corretta, ottenuto dai nuovi dati (punti neri). Questa è stata la prima volta che gli scienziati sono stati in grado di creare campioni altamente drogati, permettendo loro di esplorare la parte del diagramma di fase ombreggiata in giallo dove la superconduttività scompare. Tracciare la scomparsa può aiutarli a capire cosa causa in primo luogo la superconduttività. Credito:Brookhaven National Laboratory
"Fino a questo studio, non si sapeva nulla oltre quel punto perché non potevamo ottenere cristalli drogati al di sopra di quel livello. Ma i nostri nuovi dati ci portano a un punto di doping ben oltre il limite precedente, a un punto in cui Tc non è misurabile."
Detto Valla, "Ciò significa che ora possiamo esplorare l'intera curva di superconduttività a forma di cupola in questo materiale, che è qualcosa che nessuno è stato in grado di fare prima."
Il team ha creato campioni riscaldati nel vuoto (per produrre materiale sottodrogato) e nell'ozono (per produrre campioni sovradrogati) e ha tracciato punti lungo l'intera cupola superconduttiva. Hanno scoperto alcune caratteristiche interessanti nel "lato opposto" precedentemente inesplorato del diagramma di fase.
"Quello che abbiamo visto è che le cose diventano molto più semplici, " ha detto Valla. Alcune delle caratteristiche più bizzarre che esistono sul lato ben esplorato della mappa e complicano la comprensione degli scienziati della superconduttività ad alta temperatura, cose come uno "pseudogap" nella firma elettronica, e le variazioni nello spin delle particelle e nelle densità di carica scompaiono sul lato opposto della cupola.
I fisici del Brookhaven Lab Tonica Valla e Ilya Drozdov nel laboratorio OASIS del Brookhaven National Laboratory. Credito:Brookhaven National Laboratory
"Questo lato del diagramma di fase è in qualche modo simile a quello che ci aspettiamo di vedere nella superconduttività più convenzionale, "Valla ha detto riferendosi ai più antichi superconduttori a base di metalli conosciuti.
"Quando la superconduttività è libera da queste altre cose che complicano il quadro, poi quello che resta è la superconduttività che forse non è poi così anticonvenzionale, " ha aggiunto. "Potremmo ancora non conoscerne l'origine, ma su questo lato del diagramma di fase, sembra qualcosa che la teoria può gestire più facilmente, e ti dà un modo più semplice di guardare il problema per cercare di capire cosa sta succedendo."
