Nel campo della superconduttività, la capacità di un materiale di condurre elettricità con resistenza praticamente nulla, i cosiddetti superconduttori ad alta temperatura (HTSC) sono possibili candidati per una nuova generazione di tecnologie avanzate. Un sottoinsieme di questi, i "cuprati, " che sono materiali cristallini basati su piani di ossido di rame, sono particolarmente promettenti. Ma gli scienziati devono ancora imparare molto di più su questi materiali prima del mainstream, sono possibili applicazioni a temperatura ambiente. Attualmente, anche i superconduttori "ad alta temperatura" devono essere raffreddati a molto, temperature molto fredde per gli standard quotidiani.

Lavorando presso il Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), i ricercatori di Brookhaven e dell'University College di Londra hanno recentemente scoperto qualcosa di nuovo e molto sorprendente su un tipo di disposizione periodica della carica elettrica, che coesiste con la superconduttività nei cuprati, nota come onda di densità di carica (CDW). Hanno scoperto che l'ordine specifico di CDW all'interno del loro campione è stato "ricordato" quando il campione è stato ripetutamente riscaldato oltre la temperatura in cui il CDW scompare. Questa scoperta apre una nuova strada di ricerca su come funzionano questi materiali intriganti, avvicinando gli scienziati a un quadro completo del comportamento elettronico nei cuprati.

"Sarebbe come sciogliere una pila di cubetti di ghiaccio e poi ricongelarli, e scoprire che si ricongelano in una pila identica di cubetti, anche a livello microscopico, " ha spiegato il fisico di Brookhaven Lab Claudio Mazzoli, uno dei ricercatori coinvolti nello studio. "Nessuno si aspetterebbe di vederlo."

Mazzoli e i suoi co-ricercatori descrivono il loro lavoro nel 29 marzo, Edizione online 2019 di Nature Communications.

Il comportamento elettronico dei cuprati, come con tutti gli HTSC, è abbastanza complesso. Come il nome suggerisce, gli elettroni che compongono un CDW formano un modello periodico di onde stazionarie. CDW sono stati osservati in quasi tutti i cuprati, ma il loro ruolo nella superconduttività non è ancora completamente compreso. Competono con la superconduttività? Vi partecipano? Ostacolano la superconduttività in certi modi e forse si aggiungono ad essa in altri? Gli scienziati stanno ancora lavorando su questo.

"Negli HTSC, qualsiasi disposizione di elettroni è di interesse per i ricercatori, " ha detto il fisico di Brookhaven Mark Dean, un altro degli autori dell'articolo. "L'obiettivo è studiare queste disposizioni e sintonizzarle, o forse rimuoverle, in modo che la temperatura di transizione superconduttiva del materiale possa avvicinarsi, o forse superare, temperatura ambiente. Per fare questo, dobbiamo imparare il più possibile sul comportamento degli elettroni e sulle loro strutture negli HTSC".

Una cosa che i ricercatori sanno è che i cuprati contenenti gli stessi piani di ossido di rame, ma disposti in modo leggermente diverso, possono avere CDW con proprietà notevolmente diverse. Sembra, poi, che la parte del reticolo cristallino che ospita il CDW ha un effetto sul CDW.

Qui, il gruppo ha deciso di approfondire la relazione tra la struttura reticolare del materiale e il comportamento del CDW. Il loro sistema modello era un cuprato noto come LBCO per i composti che contiene:lantanio, bario, rame, e ossigeno. LBCO ha una temperatura di transizione, la temperatura al di sotto della quale visualizza il CDW, e al di sopra del quale non lo fa - di 54 gradi Kelvin (K) (sebbene equivalente a circa -360 gradi Fahrenheit, questa temperatura è ancora relativamente alta nel mondo dei superconduttori).

Il gruppo voleva scoprire come le imperfezioni nel reticolo cristallino LBCO possono stabilizzare il CDW. Erano interessati a una nota distorsione reticolare che si verifica nel materiale:un'inclinazione nella forma ottaedrica formata da atomi di rame e ossigeno legati. Questa inclinazione tende ad ancorare il CDW al reticolo in modo che si orienti in una certa direzione; sembra che il CDW possa essere sensibile alle disomogeneità spaziali, o domini, del reticolo. Questa relazione tra il CDW e i domini, come suggerito dal comportamento della temperatura scoperto in questo studio, può essere univoco per LBCO. Sarà molto importante capire se questa è una caratteristica generale dei cuprati.

Il gruppo ha fatto scorrere il campione di LBCO attraverso un intervallo di temperature, riscaldandolo e raffreddandolo ripetutamente, mentre lo sondava con i raggi X alla National Synchrotron Light Source II di Brookhaven (NSLS-II), una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE. Alla linea di luce Coherent Soft X-Ray Scattering (CSX), hanno usato una tecnica nota come diffrazione di raggi X risonante coerente, in cui i raggi X si diffondono da diversi domini nella disposizione spaziale CDW, interferire l'uno con l'altro, e formano un motivo a "macchioline" che viene catturato da una fotocamera speciale. L'analisi di questo modello fornisce informazioni sulle caratteristiche del CDW.

Questa attività, osservando direttamente un CDW mentre ne traccia le modifiche, in un intervallo di temperature, è collettivamente molto impegnativo, in gran parte a causa delle brevissime distanze che caratterizzano le caratteristiche di un CDW. NSLS-II è particolarmente adatto a questo tipo di indagine a causa della natura coerente della luce che produce, il che significa che le onde luminose viaggiano all'unisono piuttosto che fuori sincrono e confuse. Le sorgenti luminose più vecchie non hanno raggi così altamente coerenti.

L'analisi speckle ha rivelato che l'ordine specifico CDW presente al di sotto di 54 K è tornato anche quando il campione è stato ripetutamente sottoposto a cicli a temperature molto più elevate, fino a circa 240 K (circa -28 °F). I ricercatori pensano che i cambiamenti strutturali che avvengono nel cristallo al di sotto di 240 K creino un "paesaggio pinning" che ancora il CDW al reticolo.

"Il nostro lavoro apre una nuova strada per studiare la complessa interazione tra carica e gradi di libertà reticolari nei cuprati superconduttori, ", ha detto l'autore principale del giornale, Xiaoqian Chen, una ricercatrice presso il Dipartimento di fisica e scienza dei materiali della materia condensata di Brookhaven al momento dell'esecuzione di questo studio (ora lavora al Lawrence Berkeley National Laboratory). "È anche una grande dimostrazione di come NSLS-II può essere utilizzato per studiare le fasi quantistiche dei materiali e la loro spettacolare, proprietà inaspettate."

"Questo risultato sottolinea l'importanza vitale del ruolo dei domini su scala nanometrica nella superconduttività ad alta temperatura. Senza gli effetti di blocco del dominio che sono stati osservati, il CDW potrebbe trasportare corrente e interrompere ulteriormente la superconduttività, " ha aggiunto il co-autore Ian Robinson, un fisico a Brookhaven e all'University College di Londra. "L'imaging di queste sottili strutture di dominio 'fase' è ancora agli inizi e questo lavoro evidenzia la necessità di sviluppare tecniche di imaging migliori in modo che i dettagli strutturali possano essere visti direttamente".