Le cariche drogate nei piani di CuO2 dei superconduttori cuprati formano regolari "strisce" unidimensionali a basse temperature. L'eccitazione con impulsi ultraveloci nel vicino infrarosso consente l'osservazione diretta della dinamica di carica diffusiva, che possono essere coinvolti nell'instaurazione della superconduttività nel piano. Credito:Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Uno dei più grandi misteri della fisica della materia condensata è l'esatta relazione tra ordine di carica e superconduttività nei superconduttori cuprati. Nei superconduttori, gli elettroni si muovono liberamente attraverso il materiale:non c'è resistenza quando viene raffreddato al di sotto della sua temperatura critica. Però, i cuprati mostrano contemporaneamente superconduttività e ordine di carica in schemi di strisce alternate. Questo è paradossale in quanto l'ordine di carica descrive aree di elettroni confinati. Come possono coesistere superconduttività e ordine di carica?
Ora i ricercatori dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign, collaborando con scienziati dello SLAC National Accelerator Laboratory, hanno gettato nuova luce su come questi stati disparati possano esistere adiacenti l'uno all'altro. Il ricercatore post-dottorato in fisica dell'Illinois Matteo Mitrano, Professor Pietro Abbamonte, e il loro team ha applicato una nuova tecnica di diffusione dei raggi X, scattering di raggi X molli risonanti risolti nel tempo, sfruttando le attrezzature all'avanguardia di SLAC. Questo metodo ha consentito agli scienziati di sondare la fase dell'ordine di carica a strisce con una risoluzione energetica senza precedenti. Questa è la prima volta che questo viene fatto su una scala energetica rilevante per la superconduttività.
Gli scienziati hanno misurato le fluttuazioni dell'ordine di carica in un prototipo di superconduttore di ossido di rame, La 2-x Ba X CuO 4 (LBCO) e ha scoperto che le fluttuazioni avevano un'energia che corrispondeva alla temperatura critica superconduttiva del materiale, implicando che la superconduttività in questo materiale e, per estrapolazione, nei cuprati, può essere mediato da fluttuazioni dell'ordine di carica.
I ricercatori hanno inoltre dimostrato che, se l'ordine di addebito si scioglie, gli elettroni nel sistema riformano le aree a strisce dell'ordine di carica entro decine di picosecondi. Come risulta, questo processo obbedisce a una legge di scala universale. Per capire cosa stavano vedendo nel loro esperimento, Mitrano e Abbamonte si sono rivolti al professore di fisica dell'Illinois Nigel Goldenfeld e al suo studente laureato Minhui Zhu, che sono stati in grado di applicare metodi teorici presi in prestito dalla fisica della materia condensata soffice per descrivere la formazione dei modelli a strisce.
Questi risultati sono stati pubblicati il 16 agosto, 2019, nella rivista online Progressi scientifici .
I cuprati hanno le strisce
Il significato di questo mistero può essere compreso nel contesto della ricerca sui superconduttori ad alta temperatura (HTS), in particolare i cuprati, materiali a strati che contengono complessi di rame. I cuprati, alcuni dei primi HTS scoperti, hanno temperature critiche significativamente più elevate rispetto ai superconduttori "ordinari" (ad es. i superconduttori di alluminio e piombo hanno una temperatura critica inferiore a 10 K). Negli anni '80, LBCO, un cuprato, è risultato avere una temperatura critica superconduttiva di 35 K (-396 ° F), una scoperta per la quale Bednorz e Müller vinsero il Premio Nobel.
Quella scoperta ha scatenato un'ondata di ricerche sui cuprati. In tempo, gli scienziati hanno trovato prove sperimentali di disomogeneità nell'LBCO e in materiali simili:fasi isolanti e metalliche coesistenti. Nel 1998, Professore di fisica dell'Illinois Eduardo Fradkin, Professore di Stanford Steven Kivelson, e altri hanno proposto che gli isolanti di Mott, materiali che dovrebbero condurre secondo la teoria delle bande convenzionale ma isolare a causa della repulsione tra gli elettroni, sono in grado di ospitare strisce di ordine di carica e superconduttività. La 2 CuO 4 , il composto progenitore di LBCO, è un esempio di un isolante Mott. Poiché Ba viene aggiunto a quel composto, sostituendo alcuni atomi di La, le strisce si formano a causa dell'organizzazione spontanea di buchi, vacanze di elettroni che agiscono come cariche positive.
Ancora, restavano altre domande sul comportamento delle strisce. Le aree di ordine di carica sono immobili? Fluttuano?
"La credenza convenzionale è che se aggiungi questi buchi drogati, aggiungono una fase statica che è dannosa per la superconduttività:si congelano i fori, e il materiale non può trasportare elettricità, " Commenta Mitrano. "Se sono dinamici, se fluttuano, allora ci sono modi in cui i fori potrebbero favorire la superconduttività ad alta temperatura".
Sondaggio delle fluttuazioni in LBCO
Per capire cosa stanno facendo esattamente le strisce, Mitrano e Abbamonte concepirono un esperimento per fondere l'ordine di carica e osservare il processo della sua riformazione in LBCO. Mitrano e Abbamonte hanno reinventato una tecnica di misurazione chiamata diffusione anelastica risonante di raggi X, aggiungendo un protocollo dipendente dal tempo per osservare come l'ordine di carica si ripristina su una durata di 40 picosecondi. La squadra ha sparato un laser al campione LBCO, impartendo ulteriore energia agli elettroni per fondere l'ordine di carica e introdurre omogeneità elettronica.
"Abbiamo utilizzato un nuovo tipo di spettrometro sviluppato per sorgenti ultraveloci, perché stiamo facendo esperimenti in cui i nostri impulsi laser sono estremamente brevi, " Spiega Mitrano. "Abbiamo eseguito le nostre misurazioni presso la Linac Coherent Light Source presso SLAC, un fiore all'occhiello in questo campo di indagine. Le nostre misurazioni sono due ordini di grandezza più sensibili in termini di energia rispetto a ciò che può essere fatto in qualsiasi altro impianto di diffusione convenzionale".
Professor Peter Abbamonte (al centro, in felpa blu navy) e il ricercatore postdottorato Matteo Mitrano (a destra, in camicia bianca) posano con la loro squadra allo SLAC National Accelerator Laboratory a Menlo Park, California. Il team sperimentale ha utilizzato una nuova tecnica investigativa chiamata diffusione di raggi X molli risonanti risolta nel tempo, per sondare la fase dell'ordine di carica a strisce in un superconduttore cuprato ben studiato, con una risoluzione energetica senza precedenti, scoprendo che la superconduttività nei cuprati può essere mediata da fluttuazioni dell'ordine di carica. Questa è la prima volta che un tale esperimento è stato condotto su una scala energetica rilevante per la superconduttività. Attestazione:SLAC
Abbamonte aggiunge, "Ciò che è innovativo qui è l'uso della dispersione nel dominio del tempo per studiare le eccitazioni collettive su una scala energetica sub-meV. Questa tecnica è stata dimostrata in precedenza per i fononi. Qui, abbiamo dimostrato che lo stesso approccio può essere applicato alle eccitazioni nella banda di valenza."
Cenni di un meccanismo per la superconduttività
Il primo risultato significativo di questo esperimento è che l'ordine di carica in effetti fluttua, muovendosi con un'energia che quasi corrisponde all'energia stabilita dalla temperatura critica di LBCO. Ciò suggerisce che l'accoppiamento Josephson può essere cruciale per la superconduttività.
L'idea dietro l'effetto Josephson, scoperto da Brian Josephson nel 1962, è che due superconduttori possono essere collegati tramite un collegamento debole, tipicamente un isolante o un metallo normale. In questo tipo di sistema, gli elettroni superconduttori possono fuoriuscire dai due superconduttori nell'anello debole, generando al suo interno una corrente di elettroni superconduttori.
L'accoppiamento Josephson fornisce una possibile spiegazione per l'accoppiamento tra superconduttività e regioni a strisce di ordine di carica, in cui le strisce fluttuano in modo tale che la superconduttività si disperda nelle aree di ordine di carica, gli anelli deboli.
Obbedendo alle leggi di scala universali della formazione del modello
Dopo aver sciolto l'ordine di addebito, Mitrano e Abbamonte misurarono il recupero delle strisce man mano che si evolvevano nel tempo. Mentre l'ordine di addebito si avvicinava al suo completo recupero, seguì un'inaspettata dipendenza dal tempo. Questo risultato non assomigliava a quello che i ricercatori avevano riscontrato in passato. Cosa potrebbe spiegare questo?
La risposta è presa in prestito dal campo della fisica della materia condensata soffice, e più specificamente da una teoria della legge di scala che Goldenfeld aveva sviluppato due decenni prima per descrivere la formazione di pattern in liquidi e polimeri. Goldenfeld e Zhu hanno dimostrato le strisce in LBCO recuperare secondo un universale, dinamico, legge di scala autosimilare.
Goldenfeld spiega, "A metà degli anni '90, gli scienziati avevano una comprensione di come i sistemi uniformi si avvicinano all'equilibrio, ma che dire dei sistemi a strisce? Ho lavorato a questa domanda circa 20 anni fa, guardando gli schemi che emergono quando un fluido viene riscaldato dal basso, come le macchie esagonali di circolazione, macchie bianche che riaffiorano nella zuppa di miso calda. In alcune circostanze questi sistemi formano strisce di fluido circolante, non macchie, analogo ai modelli a strisce degli elettroni nei superconduttori cuprati. E quando il modello si sta formando, segue una legge di scala universale. Questo è esattamente ciò che vediamo in LBCO mentre riforma le sue strisce di ordine di addebito".
Attraverso i loro calcoli, Goldenfeld e Zhu sono stati in grado di chiarire il processo di riformazione del modello dipendente dal tempo nell'esperimento di Mitrano e Abbamonte. Le strisce si riformano con una dipendenza logaritmica dal tempo, un processo molto lento. L'adesione alla legge di scala in LBCO implica inoltre che contiene difetti topologici, o irregolarità nella sua struttura reticolare. Questo è il secondo risultato significativo di questo esperimento.
Zhu commenta, "È stato emozionante far parte di questa ricerca collaborativa, lavorare con i fisici dello stato solido, ma applicando tecniche dalla materia condensata soffice per analizzare un problema in un sistema fortemente correlato, come la superconduttività ad alta temperatura. Non solo ho contribuito con i miei calcoli, ma ho anche acquisito nuove conoscenze dai miei colleghi con background diversi, e in questo modo ha acquisito nuove prospettive sui problemi fisici, così come nuovi modi di pensare scientifico."
Nelle ricerche future, Mitrano, Abbamonte, e Goldenfeld hanno in programma di sondare ulteriormente la fisica delle fluttuazioni dell'ordine di carica con l'obiettivo di fondere completamente l'ordine di carica in LBCO per osservare la fisica della formazione delle strisce. Progettano anche esperimenti simili con altri cuprati, compresi i composti di ossido di rame e bario di ittrio, meglio conosciuto come YBCO.
Goldenfeld vede questo e futuri esperimenti come quelli che potrebbero catalizzare nuove ricerche in HTS:"Ciò che abbiamo imparato nei 20 anni dal lavoro di Eduardo Fradkin e Steven Kivelson sulla modulazione periodica della carica è che dovremmo pensare agli HTS come cristalli liquidi elettronici, " afferma. "Stiamo iniziando ad applicare la fisica della materia soffice condensata dei cristalli liquidi a HTS per capire perché la fase superconduttiva esiste in questi materiali".
