cuprati, una classe di ceramiche di ossido di rame che condividono un blocco costitutivo comune di atomi di rame e ossigeno in un reticolo quadrato piatto, sono stati studiati per la loro capacità di essere superconduttori a temperature relativamente elevate. Nel loro stato originario, però, sono un tipo speciale di isolante (un materiale che non conduce facilmente elettricità) noto come isolante Mott.

Quando i portatori di carica elettrica, o gli elettroni o la mancanza di elettroni, noti come "buchi":vengono aggiunti a un isolante in un processo chiamato doping, l'isolante può diventare un metallo, che conduce facilmente elettricità, o un semiconduttore, che può condurre elettricità a seconda dell'ambiente. cuprati, però, non si comportano né come un normale isolante né come un normale metallo a causa delle forti interazioni tra i loro elettroni. Per evitare il grande costo energetico derivante da queste interazioni, gli elettroni si organizzano spontaneamente in uno stato collettivo dove il moto di ciascuna particella è legato a tutte le altre.

Un esempio è lo stato superconduttore, dove gli elettroni si muovono all'unisono e vanno alla deriva con attrito netto zero quando viene applicato un potenziale, uno stato di resistenza zero che è una caratteristica distintiva di un superconduttore. Un altro stato elettronico collettivo è una "onda di densità di carica, "un termine coniato dalla modulazione ondulatoria nella densità degli elettroni, in cui gli elettroni si "congelano" in schemi periodici e statici, allo stesso tempo ostacolando il flusso di elettroni. Questo stato è antagonista allo stato superconduttore, e, perciò, importante studiare e capire. in cuprati, le onde di densità di carica preferiscono allinearsi alle file atomiche di atomi di rame e ossigeno che costituiscono la struttura cristallina sottostante, con le "creste" d'onda che si verificano ogni tre o cinque celle unitarie, a seconda del materiale e del livello di drogaggio.

Utilizzando una tecnica nota come diffusione risonante di raggi X per studiare queste onde di densità di carica in due diversi composti cuprati, ossido di rame al neodimio (Nd ₂ CuO ₄ o NCO) e ossido di rame praseodimio (Pr ₂ CuO ₄ o PCO) drogato con elettroni extra, I ricercatori del MIT hanno fatto una scoperta inaspettata. Il loro lavoro ha rivelato una fase del materiale in cui gli elettroni cadono in modo disordinato, o "vetro, " preparativi, soprannominato un "bicchiere Wigner". I risultati sono stati recentemente pubblicati in un articolo in Fisica della natura .

La diffusione risonante dei raggi X è una tecnica di diffrazione recentemente sviluppata in cui la cristallografia viene eseguita sugli elettroni anziché esclusivamente sugli atomi come nella diffrazione a raggi X convenzionale. "Nel limite di bassa concentrazione di elettroni drogati, abbiamo osservato una forma completamente nuova e inaspettata di fase elettronica che non è né un superfluido né un cristallo, ma ha piuttosto le caratteristiche di un bicchiere Wigner. In questa fase, gli elettroni formano uno stato collettivo senza alcuna preferenza orientativa, ", afferma l'autore senior del documento Riccardo Comin, assistente professore di fisica al MIT. Un tale vetro amorfo di elettroni è del tutto inedito in questa famiglia di materiali, Aggiunge.

Questo fenomeno emerge solo in una finestra ristretta di drogaggio elettronico. "Intrigante, questo nuovo stato esotico esiste solo in una piccola regione del diagramma di fase elettronico di questo materiale, e quando più elettroni vengono drogati nei piani [ossido di rame], viene recuperato un cristallo elettronico più convenzionale, le cui increspature si allineano agli assi cristallografici del sottostante reticolo atomico, "Min Gu Kang, l'autore principale del giornale, spiega.

Il team del MIT, composto da Comin, studente laureato Kang, e postdoc Jonathan Pelliciari, ideato il progetto e condotto la maggior parte degli esperimenti. La loro ricerca è stata resa possibile dai contributi di ricercatori di varie istituzioni e strutture in tutto il mondo. Le misurazioni della diffusione di raggi X risonanti sono state eseguite in più strutture di sincrotrone, tra cui il Berlin Electron Storage Ring in Germania, la sorgente di luce canadese a Saskatoon, Saskatchewan, Canada, e la sorgente di luce avanzata, a Berkeley, California. I campioni di film sottile di ossido di rame sono stati coltivati ​​presso NTT Basic Research Laboratories in Giappone. L'analisi teorica è stata sviluppata dai ricercatori dell'Indian Institute of Science in India.

Comin osserva che la teoria proposta spiega il ruolo della struttura elettronica a bande nel governare la spaziatura periodica e la mancanza di preferenza orientativa delle onde di densità in funzione del livello di drogaggio in questo materiale. "La nostra teoria suggerisce che queste increspature elettroniche sono inizialmente formate con forme irregolari e sono probabilmente nucleate attorno a difetti o impurità nel materiale, " Dice Comin. "Quando la densità dei portatori aumenta, gli elettroni riescono a trovare una disposizione più ordinata che minimizza l'energia totale del sistema, ripristinando così le onde di densità di carica più convenzionali che sono state osservate universalmente in tutte le famiglie di superconduttori di ossido di rame".

"Sono rimasto completamente sbalordito dai risultati di Riccardo su NCO e PCO, "dice Pietro Abbamonte, Fox Family Professor in Ingegneria presso l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign, che ha sviluppato la tecnica di diffusione dei raggi X molli risonanti. Notando che l'ordine delle onde di densità di carica (CDW) nei cuprati è stato al centro del campo per oltre un decennio, Abbamonte, chi non è stato coinvolto in questa ricerca, spiega che la comprensione precedente è stata che l'ordine CDW è fissato al reticolo cristallino, il che significa che l'onda di densità di carica deve puntare in una delle due direzioni perpendicolari, ma nessuna via di mezzo. Questa saggezza convenzionale si basa su due decenni di scattering risonante e esperimenti di microscopia tunnel a scansione che hanno sempre riscontrato che questo è il caso, lui nota.

La ricerca di Comin su questi particolari cuprati drogati con elettroni ha mostrato che durante la fase vetrosa l'ordine di carica può puntare in qualsiasi direzione, indipendente dal reticolo cristallino in cui vive. "L'affermazione più precisa è che il parametro dell'ordine CDW non è simile a Ising (cioè, prendendo solo valori discreti, in questo caso due:x o y), come è sempre stato ipotizzato, ma è più simile a un parametro di ordine X-Y (cioè, libero di scegliere qualsiasi valore su un intervallo continuo, come tutte le direzioni tra x e y come nel caso qui) che è solo debolmente influenzato dal cristallo, "dice Abbamonte.

"Ci vorrà del tempo prima che la comunità digerisca completamente questa realizzazione e le sue implicazioni per comprendere la rilevanza dell'ordine CDW, Aggiunge Abbamonte. “Quello che è chiaro è che la carta di Riccardo porterà a una seria riconsiderazione delle regole del gioco, e in questo senso è un grande passo avanti per il campo".

I superconduttori hanno un immenso, potenziale in gran parte non sfruttato per applicazioni trasformative come l'informatica quantistica, trasporto di energia senza perdite, rilevamento magnetico e imaging diagnostico medico, e tecnologie per l'energia da fusione nucleare e al plasma.

"Globale, il nostro studio ha rivelato un'altra manifestazione dello squisito carattere quantistico dei portatori di carica nei superconduttori ad alta temperatura, che in ultima analisi deriva dalla natura delle interazioni elettroniche, " Dice Comin. "Il comportamento dettagliato degli elettroni scoperti in questo lavoro fornisce nuove intuizioni su come la superconduttività ad alta temperatura nasca da un isolante Mott, e promette di colmare un divario tra le regioni del diagramma di fase con fenomenologie molto contrastanti".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.