superconduttori ad alta temperatura, che trasportano elettricità con resistenza zero a temperature molto più elevate rispetto ai materiali superconduttori convenzionali, hanno generato molta eccitazione dalla loro scoperta più di 30 anni fa a causa del loro potenziale per rivoluzionare tecnologie come i treni maglev e le linee elettriche a lunga distanza. Ma gli scienziati ancora non capiscono come funzionano.

Un pezzo del puzzle è il fatto che le onde di densità di carica - strisce statiche di densità elettronica più alta e più bassa che attraversano un materiale - sono state trovate in una delle principali famiglie di superconduttori ad alta temperatura, i cuprati a base di rame. Ma queste strisce di carica migliorano la superconduttività, sopprimerlo o svolgere qualche altro ruolo?

In studi indipendenti, due gruppi di ricerca riportano importanti progressi nella comprensione di come le strisce di carica potrebbero interagire con la superconduttività. Entrambi gli studi sono stati condotti con raggi X presso il Laboratorio Nazionale Acceleratore SLAC del Dipartimento dell'Energia.

Dettagli squisiti

In un articolo pubblicato oggi in Progressi scientifici , ricercatori dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign (UIUC) hanno utilizzato il laser a elettroni liberi a raggi X Linac Coherent Light Source (LCLS) di SLAC per osservare le fluttuazioni delle onde di densità di carica in un superconduttore cuprato.

Hanno disturbato le onde di densità di carica con impulsi provenienti da un laser convenzionale e poi hanno usato RIXS, o diffusione anelastica risonante di raggi X, per vedere le onde riprendersi in un periodo di pochi trilionesimi di secondo. Questo processo di recupero si è comportato secondo una legge di scala dinamica universale:era lo stesso a tutte le scale, proprio come un modello frattale sembra lo stesso sia che si ingrandisca o si rimpicciolisca.

Con LCLS, gli scienziati sono stati in grado di misurare, per la prima volta e con dettagli squisiti, esattamente quanto lontano e quanto velocemente hanno fluttuato le onde di densità di carica. Con loro sorpresa, il team ha scoperto che le fluttuazioni non erano come il suono di una campana o il rimbalzo di un trampolino; Invece, erano più simili alla lenta diffusione di uno sciroppo, un analogo quantistico del comportamento dei cristalli liquidi, che non era mai stato visto prima in un solido.

"I nostri esperimenti alla LCLS stabiliscono un nuovo modo di studiare le fluttuazioni nelle onde di densità di carica, che potrebbe portare a una nuova comprensione di come funzionano i superconduttori ad alta temperatura, "dice Matteo Mitrano, ricercatore post-dottorato nel gruppo del professor Peter Abbamonte all'UIUC.

Questo team includeva anche ricercatori della Stanford University, il National Institute of Standards and Technology e il Brookhaven National Laboratory.

Arrangiamenti nascosti

Un altro studio, segnalato il mese scorso in Comunicazioni sulla natura , ha utilizzato i raggi X della sorgente di luce di radiazione di sincrotrone di Stanford di SLAC per scoprire due tipi di disposizioni di onde di densità di carica, creando un nuovo collegamento tra queste onde e la superconduttività ad alta temperatura.

Guidato dallo scienziato dello SLAC Jun-Sik Lee, il team di ricerca ha utilizzato RSXS, o diffusione risonante di raggi X molli, per osservare come la temperatura ha influenzato le onde di densità di carica in un superconduttore cuprato.

"Questo risolve una discrepanza nei dati di esperimenti precedenti e traccia un nuovo corso per mappare completamente i comportamenti degli elettroni in questi materiali superconduttori esotici, "dice Lee.

"Credo che l'esplorazione di arrangiamenti nuovi o nascosti, così come i loro fenomeni di intreccio, contribuirà alla nostra comprensione della superconduttività ad alta temperatura nei cuprati, che informerà i ricercatori nella loro ricerca di progettare e sviluppare nuovi superconduttori che funzionino a temperature più calde".