Quando ci sono più processi in corso contemporaneamente, è difficile stabilire relazioni di causa-effetto. Questo scenario è vero per una classe di superconduttori ad alta temperatura noti come cuprati. Scoperto quasi 35 anni fa, questi composti rame-ossigeno possono condurre elettricità senza resistenza in determinate condizioni. Devono essere modificati chimicamente ("drogati") con atomi aggiuntivi che introducono elettroni o lacune (vacanze di elettroni) negli strati di ossido di rame e raffreddati a temperature inferiori a 100 Kelvin, temperature significativamente più calde di quelle necessarie per i superconduttori convenzionali. Ma il modo esatto in cui gli elettroni superano la loro mutua repulsione e si accoppiano per fluire liberamente in questi materiali rimane una delle domande più grandi nella fisica della materia condensata. La superconduttività ad alta temperatura (HTS) è tra i molti fenomeni che si verificano a causa di forti interazioni tra elettroni, rendendo difficile determinare da dove provenga.

Ecco perché i fisici del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) studiano un noto cuprato contenente strati di ossido di bismuto, ossido di stronzio, calcio, e l'ossido di rame (BSCCO) hanno deciso di concentrarsi sul lato meno complicato "overdopato", drogando il materiale così tanto che la superconduttività alla fine scompare. Come riportato in un articolo pubblicato il 29 gennaio in Comunicazioni sulla natura , questo approccio ha permesso loro di identificare che le interazioni puramente elettroniche probabilmente portano a HTS.

"La superconduttività nei cuprati di solito coesiste con disposizioni periodiche di carica elettrica o spin e molti altri fenomeni che possono competere o aiutare la superconduttività, complicando il quadro, " ha spiegato la prima autrice Tonica Valla, un fisico nel gruppo di spettroscopia elettronica della divisione di fisica e scienza dei materiali della materia condensata del Brookhaven Lab. "Ma questi fenomeni si indeboliscono o svaniscono del tutto con l'overdoping, lasciando nient'altro che superconduttività. Così, questa è la regione perfetta per studiare l'origine della superconduttività. I nostri esperimenti hanno scoperto un'interazione tra gli elettroni in BSCCO che correla uno a uno con la superconduttività. La superconduttività emerge esattamente quando questa interazione appare per la prima volta e diventa più forte man mano che l'interazione si rafforza".

Solo molto recentemente è diventato possibile drogare campioni cuprati oltre il punto in cui la superconduttività svanisce. In precedenza, un cristallo di massa del materiale verrebbe ricotto (riscaldato) in ossigeno gassoso ad alta pressione per aumentare la concentrazione di ossigeno (il materiale drogante). Il nuovo metodo, che Valla e altri scienziati di Brookhaven hanno dimostrato per la prima volta circa un anno fa all'OASIS, un nuovo strumento in loco per la preparazione e la caratterizzazione dei campioni:utilizza l'ozono invece dell'ossigeno per ricotturare i campioni scissi. La scissione si riferisce alla rottura del cristallo nel vuoto per creare superfici perfettamente piatte e pulite.

"Il potere ossidante dell'ozono, o la sua capacità di accettare elettroni, è molto più forte di quello dell'ossigeno molecolare, " ha spiegato il coautore Ilya Drozdov, un fisico del gruppo Oxide Molecular Beam Epitaxy (OMBE) della divisione. "Ciò significa che possiamo portare più ossigeno nel cristallo per creare più buchi nei piani di ossido di rame, dove si verifica la superconduttività. All'OASI, possiamo sovraccaricare gli strati superficiali del materiale fino alla regione non superconduttiva e studiare le eccitazioni elettroniche risultanti".

OASIS combina un sistema OMBE per la crescita di film sottili di ossido con spettroscopia di fotoemissione ad angolo risolta (ARPES) e strumenti di microscopia a effetto tunnel spettroscopico a scansione di immagini (SI-STM) per studiare la struttura elettronica di questi film. Qui, i materiali possono essere coltivati ​​e studiati utilizzando lo stesso sistema di ultraalto vuoto collegato per evitare l'ossidazione e la contaminazione da anidride carbonica, acqua, e altre molecole nell'atmosfera. Poiché ARPES e SI-STM sono tecniche estremamente sensibili alla superficie, le superfici incontaminate sono fondamentali per ottenere misurazioni accurate.

Per questo studio, coautore Genda Gu, un fisico del Neutron Scattering Group della divisione, sono cresciuti cristalli BSCCO sfusi. Drozdov ha ricotto i cristalli scissi nell'ozono nella camera OMBE all'OASIS per aumentare il doping fino a quando la superconduttività non è stata completamente persa. Lo stesso campione è stato poi ricotto sotto vuoto per ridurre gradualmente il drogaggio e aumentare la temperatura di transizione alla quale emerge la superconduttività. Valla ha analizzato la struttura elettronica di BSCCO attraverso questo diagramma di fase della temperatura di drogaggio tramite ARPES.

"ARPES ti dà l'immagine più diretta della struttura elettronica di qualsiasi materiale, " disse Valla. "La luce eccita gli elettroni di un campione, e misurando la loro energia e l'angolo con cui sfuggono, puoi ricreare l'energia e la quantità di moto degli elettroni mentre erano ancora nel cristallo."

Nel misurare questa relazione energia contro quantità di moto, Valla ha rilevato un nodo (anomalia) nella struttura elettronica che segue la temperatura di transizione del superconduttore. Il nodo diventa più pronunciato e si sposta a energie più elevate man mano che questa temperatura aumenta e la superconduttività diventa più forte, ma scompare al di fuori dello stato superconduttore. Sulla base di queste informazioni, sapeva che l'interazione che creava le coppie di elettroni necessarie per la superconduttività non poteva essere l'accoppiamento elettrone-fonone, come teorizzato per i superconduttori convenzionali. Sotto questa teoria, fononi, o vibrazioni degli atomi nel reticolo cristallino, fungono da forza attrattiva per elettroni altrimenti repulsivi attraverso lo scambio di quantità di moto ed energia.

"Il nostro risultato ci ha permesso di escludere l'accoppiamento elettrone-fonone perché gli atomi nel reticolo possono vibrare e gli elettroni possono interagire con quelle vibrazioni, indipendentemente dal fatto che il materiale sia superconduttore o meno, " disse Valla. "Se fossero coinvolti i fononi, ci aspetteremmo di vedere il nodo sia nello stato superconduttore che in quello normale, e il nodo non cambierebbe con il doping".

Il team ritiene che in questo caso stia accadendo qualcosa di simile all'accoppiamento elettrone-fonone, ma invece dei fononi, un'altra eccitazione viene scambiata tra gli elettroni. Sembra che gli elettroni interagiscano attraverso fluttuazioni di spin, che sono legati agli elettroni stessi. Le fluttuazioni di spin sono cambiamenti nello spin degli elettroni, o il modo in cui gli elettroni puntano verso l'alto o verso il basso come minuscoli magneti.

Inoltre, gli scienziati hanno scoperto che l'energia del nodo è inferiore a quella di un'energia caratteristica alla quale appare un picco acuto (risonanza) nello spettro di fluttuazione dello spin. La loro scoperta suggerisce che l'inizio delle fluttuazioni di spin (invece del picco di risonanza) è responsabile del nodo osservato e potrebbe essere la "colla" che lega gli elettroni nelle coppie richieste per HTS.

Prossimo, il team prevede di raccogliere ulteriori prove che dimostrino che le fluttuazioni di spin sono correlate alla superconduttività ottenendo misurazioni SI-STM. Eseguiranno anche esperimenti simili su un altro noto cuprato, lantanio stronzio ossido di rame (LSCO).

"Per la prima volta, stiamo vedendo qualcosa che è fortemente correlato con la superconduttività, " disse Valla. "Dopo tutti questi anni, ora abbiamo una migliore comprensione di ciò che potrebbe causare la superconduttività non solo in BSCCO ma anche in altri cuprati."