Strati di ossido di rame di LBCO (tra questi ci sarebbero gli strati di lantanio-bario). La superconduttività 3-D si verifica quando la corrente può fluire liberamente in qualsiasi direzione all'interno e tra gli strati di ossido di rame, mentre la superconduttività 2-D esiste quando la corrente si muove liberamente solo all'interno degli strati (non perpendicolari). Gli orientamenti perpendicolari dei motivi a strisce da uno strato all'altro possono essere parte di ciò che inibisce il movimento della corrente tra gli strati. Credito:Brookhaven National Laboratory
Gli scienziati che cercavano di comprendere il meccanismo alla base della superconduttività nei cuprati "ordinati a strisce" - materiali di ossido di rame con aree alternate di carica elettrica e magnetismo - hanno scoperto uno stato metallico insolito nel tentativo di disattivare la superconduttività. Hanno scoperto che nelle condizioni del loro esperimento, anche dopo che il materiale perde la sua capacità di trasportare corrente elettrica senza perdita di energia, mantiene una certa conduttività e forse le coppie di elettroni (o lacune) necessarie per la sua superpotenza superconduttiva.
"Questo lavoro fornisce prove circostanziali che la disposizione ordinata a strisce di cariche e magnetismo è buona per formare le coppie portatrici di carica necessarie per l'emergere della superconduttività, " disse Giovanni Tranquada, un fisico presso il Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.
Tranquada e i suoi coautori del Brookhaven Lab e del National High Magnetic Field Laboratory della Florida State University, dove è stata eseguita una parte del lavoro, descrivere le loro scoperte in un articolo appena pubblicato in Progressi scientifici . Un documento correlato nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze del coautore Alexei Tsvelik, un teorico al Brookhaven Lab, fornisce informazioni sulle basi teoriche per le osservazioni.
Gli scienziati stavano studiando una particolare formulazione di ossido di rame e bario di lantanio (LBCO) che mostra una forma insolita di superconduttività a una temperatura di 40 Kelvin (-233 gradi Celsius). È relativamente caldo nel regno dei superconduttori. I superconduttori convenzionali devono essere raffreddati con elio liquido a temperature prossime a -273°C (0 Kelvin o zero assoluto) per trasportare corrente senza perdita di energia. Comprendere il meccanismo alla base di tale superconduttività "ad alta temperatura" potrebbe guidare la scoperta o la progettazione strategica di superconduttori che operano a temperature più elevate.
"In linea di principio, tali superconduttori potrebbero migliorare l'infrastruttura elettrica con linee di trasmissione a perdita di energia zero, "Tranquada ha detto, "o essere utilizzato in potenti elettromagneti per applicazioni come la risonanza magnetica (MRI) senza la necessità di un costoso raffreddamento".
Il mistero dell'alto Tc
LBCO è stato il primo superconduttore ad alta temperatura (high-Tc) scoperto, circa 33 anni fa. È costituito da strati di ossido di rame separati da strati composti da lantanio e bario. Il bario fornisce meno elettroni del lantanio agli strati di ossido di rame, quindi con un rapporto particolare, lo squilibrio lascia posti vacanti di elettroni, conosciuti come buchi, nei piani cuprati. Quei buchi possono fungere da portatori di carica e accoppiarsi, proprio come gli elettroni, e a temperature inferiori a 30K, la corrente può muoversi attraverso il materiale senza resistenza in tre dimensioni, sia all'interno che tra gli strati.
Una caratteristica strana di questo materiale è che, negli strati di ossido di rame, alla particolare concentrazione di bario, i fori si segregano in "strisce" che si alternano a zone di allineamento magnetico. Da questa scoperta, nel 1995, c'è stato molto dibattito sul ruolo che queste strisce giocano nell'indurre o nell'inibire la superconduttività.
Nel 2007, Tranquada e il suo team hanno scoperto la forma più insolita di superconduttività in questo materiale alla temperatura più alta di 40K. Se hanno alterato la quantità di bario per essere appena sotto la quantità che ha permesso la superconduttività 3-D, hanno osservato la superconduttività 2-D, che significa solo all'interno degli strati di ossido di rame ma non tra di loro.
"Gli strati superconduttori sembrano disaccoppiarsi l'uno dall'altro, "Tsvelik, il teorico, disse. La corrente può ancora fluire senza perdite in qualsiasi direzione all'interno degli strati, ma c'è resistività nella direzione perpendicolare agli strati. Questa osservazione è stata interpretata come un segno che le coppie portatrici di carica stavano formando "onde di densità di coppia" con orientamenti perpendicolari l'uno all'altro negli strati vicini. "Ecco perché le coppie non possono saltare da uno strato all'altro. Sarebbe come cercare di fondersi nel traffico muovendosi in direzione perpendicolare. Non possono fondersi, " ha detto Tsvelik.
Le strisce superconduttrici sono difficili da uccidere
Nel nuovo esperimento, gli scienziati si sono immersi più a fondo nell'esplorazione delle origini dell'insolita superconduttività nella formulazione speciale di LBCO cercando di distruggerla. "Spesso testiamo le cose spingendole al fallimento, " Disse Tranquada. Il loro metodo di distruzione consisteva nell'esporre il materiale a potenti campi magnetici generati nello stato della Florida.
Un diagramma di fase di LBCO a diverse temperature e intensità del campo magnetico. I colori rappresentano la resistenza del materiale al flusso di corrente elettrica, con il viola che è un superconduttore senza resistenza. Quando raffreddato vicino allo zero assoluto senza campo magnetico, il materiale agisce come un superconduttore 3-D. All'aumentare dell'intensità del campo magnetico, La superconduttività 3-D scompare, ma la superconduttività 2-D riappare a una maggiore intensità di campo, poi scompare di nuovo. Nei campi più alti, la resistenza è cresciuta, ma il materiale conservava un'insolita conduttività metallica, che gli scienziati hanno interpretato come un'indicazione che le coppie portatrici di carica potrebbero persistere anche dopo che la superconduttività è stata distrutta. Credito:Brookhaven National Laboratory
"Man mano che il campo esterno si allarga, la corrente nel superconduttore diventa sempre più grande per cercare di annullare il campo magnetico, Ha spiegato Tranquada. «Ma c'è un limite alla corrente che può scorrere senza resistenza. Trovare quel limite dovrebbe dirci qualcosa su quanto sia forte il superconduttore".
Per esempio, se le strisce di ordine di carica e magnetismo in LBCO sono dannose per la superconduttività, un modesto campo magnetico dovrebbe distruggerlo. "Pensavamo che forse la carica si sarebbe congelata nelle strisce in modo che il materiale diventasse un isolante, " ha detto Tranquada.
Ma la superconduttività si è rivelata molto più robusta.
Usando cristalli perfetti di LBCO coltivati dal fisico di Brookhaven Genda Gu, Yangmu Li, un borsista postdottorato che lavora nel laboratorio di Tranquada, ha effettuato misurazioni della resistenza e della conduttività del materiale in varie condizioni presso il National High Magnetic Field Laboratory. A una temperatura appena sopra lo zero assoluto senza campo magnetico presente, il materiale esposto per intero, Superconduttività 3-D. Mantenendo la temperatura costante, gli scienziati hanno dovuto aumentare significativamente il campo magnetico esterno per far scomparire la superconduttività 3-D. Ancora più sorprendente, quando hanno aumentato ulteriormente l'intensità del campo, la resistenza all'interno dei piani di ossido di rame è scesa di nuovo a zero!
"Abbiamo visto la stessa superconduttività 2-D che avevamo scoperto a 40K, " ha detto Tranquada.
L'aumento del campo ha ulteriormente distrutto la superconduttività 2-D, ma non ha mai completamente distrutto la capacità del materiale di trasportare corrente ordinaria.
"La resistenza è cresciuta ma poi si è stabilizzata, "Osserva Tranquada.
Segni di coppie persistenti?
Ulteriori misurazioni effettuate sotto il campo magnetico più alto hanno indicato che i portatori di carica nel materiale, anche se non più superconduttore, possono ancora esistere in coppia, ha detto Tranquada.
"La materia diventa un metallo che non devia più il flusso di corrente, " ha detto Tsvelik. "Ogni volta che si ha una corrente in un campo magnetico, ci si aspetterebbe una deflessione delle cariche - elettroni o fori - nella direzione perpendicolare alla corrente [ciò che gli scienziati chiamano effetto Hall]. Ma non è quello che succede. Non c'è deviazione".
In altre parole, anche dopo che la superconduttività è stata distrutta, il materiale mantiene una delle firme chiave dell'"onda di densità di coppia" caratteristica dello stato superconduttore.
"La mia teoria mette in relazione la presenza delle strisce ricche di carica con l'esistenza di momenti magnetici tra loro alla formazione dello stato d'onda della densità di coppia, "Tsvelik ha detto. "L'osservazione della deflessione senza carica ad alto campo mostra che il campo magnetico può distruggere la coerenza necessaria per la superconduttività senza necessariamente distruggere l'onda di densità di coppia".
"Insieme queste osservazioni forniscono ulteriori prove che le strisce sono buone per l'accoppiamento, " Ha detto Tranquada. "Vediamo la superconduttività 2-D riapparire ad alto campo e poi, in un campo ancora più alto, quando perdiamo la superconduttività 2-D, il materiale non diventa solo un isolante. C'è ancora un po' di corrente che scorre. Potremmo aver perso il movimento coerente delle coppie tra le strisce, ma potremmo ancora avere coppie all'interno delle strisce che possono muoversi in modo incoerente e darci un comportamento metallico insolito".
