Per anni i fisici hanno cercato di decifrare i dettagli elettronici dei superconduttori ad alta temperatura. Questi materiali potrebbero rivoluzionare la trasmissione di energia e l'elettronica grazie alla loro capacità di trasportare corrente elettrica senza perdita di energia quando raffreddati al di sotto di una certa temperatura. I dettagli della struttura elettronica microscopica dei superconduttori "high-Tc" potrebbero rivelare come diverse fasi (stati della materia) competono o interagiscono con la superconduttività, uno stato in cui gli elettroni con carica simile in qualche modo superano la loro repulsione per accoppiarsi e fluire liberamente. L'obiettivo finale è capire come far sì che questi materiali agiscano come superconduttori senza la necessità di un superraffreddamento.

Ora gli scienziati che studiano i superconduttori ad alta Tc presso il Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno prove definitive dell'esistenza di uno stato della materia noto come onda di densità di coppia, prevista per la prima volta dai teorici circa 50 anni fa. I loro risultati, pubblicato sulla rivista Natura , mostrano che questa fase coesiste con la superconduttività in un noto superconduttore di ossido di rame a base di bismuto.

"Questa è la prima prova spettroscopica diretta che l'onda di densità di coppia esiste a campo magnetico zero, " disse Kazuhiro Fujita, il fisico che ha guidato la ricerca al Brookhaven Lab. "Abbiamo identificato che l'onda di densità di coppia svolge un ruolo importante in questo materiale. I nostri risultati mostrano che questi due stati della materia - onda di densità di coppia e superconduttività - coesistono e interagiscono".

I risultati del team provengono da misurazioni degli spettri tunneling di singoli elettroni utilizzando un microscopio a effetto tunnel a scansione spettroscopica (SI-STM) all'avanguardia nel laboratorio OASIS di Brookhaven.

"Ciò che misuriamo è quanti elettroni in una data posizione 'tunnel' dalla superficie del campione alla punta dell'elettrodo superconduttore del SI-STM e viceversa mentre variamo l'energia (tensione) tra il campione e la punta, "Ha detto Fujita. "Con queste misurazioni possiamo mappare il reticolo cristallino e la densità elettronica degli stati, nonché il numero di elettroni che abbiamo in una data posizione".

Quando il materiale non è superconduttore, gli elettroni esistono su uno spettro continuo di energie, ciascuno che si propaga alla propria lunghezza d'onda unica. Ma quando la temperatura scende, gli elettroni iniziano a interagire, accoppiandosi quando il materiale entra nello stato superconduttore. Quando questo accade, gli scienziati osservano un divario nello spettro energetico, creato da un'assenza di elettroni all'interno di quel particolare intervallo di energia.

"L'energia del divario è uguale all'energia necessaria per rompere le coppie di elettroni (che ti dice quanto fossero strettamente legati), " disse Fujita.

Mentre gli scienziati scansionavano la superficie del materiale, hanno rilevato strutture di gap energetico modulanti spazialmente. Queste modulazioni nel gap energetico hanno rivelato che la forza del legame degli elettroni varia, aumentando al massimo, poi scendendo al minimo, con questo schema che si ripete ogni otto atomi sulla superficie del reticolo cristallino regolarmente disposto.

Questo lavoro si basava su misurazioni precedenti che mostravano che anche la corrente creata da coppie di elettroni che penetravano nel microscopio variava nello stesso modo periodico. Quelle modulazioni in corrente furono la prima prova, anche se alquanto circostanziale, che l'onda di densità di coppia era presente.

"Le modulazioni nella corrente degli elettroni accoppiati sono un indicatore del fatto che ci sono modulazioni nella forza con cui gli elettroni accoppiati sono sulla superficie. Ma questa volta, misurando lo spettro energetico dei singoli elettroni, siamo riusciti a misurare direttamente il gap modulante negli spettri in cui avviene l'accoppiamento. Le modulazioni nella dimensione di tali lacune sono la prova spettroscopica diretta che lo stato d'onda della densità di coppia esiste, " disse Fujita.

I nuovi risultati includevano anche prove di altre firme chiave dell'onda di densità di coppia, compresi i difetti chiamati "mezzi vortici", nonché le sue interazioni con la fase superconduttiva.

Inoltre, le modulazioni del gap energetico rispecchiano altre ricerche del Brookhaven Lab che indicano l'esistenza di schemi modulanti di caratteristiche elettroniche e magnetiche, a volte denominate "strisce", che si verificano anche con una periodicità di otto unità di cella in alcuni superconduttori cuprati ad alta Tc.

"Insieme, questi risultati indicano che l'onda di densità di coppia gioca un ruolo significativo nelle proprietà superconduttive di questi materiali. Comprendere questo stato può aiutarci a dare un senso al complesso diagramma di fase che mappa il modo in cui le proprietà superconduttive emergono in condizioni diverse, compresa la temperatura, campo magnetico, e densità dei portatori di carica, " disse Fujita.