I ricercatori della Stanford University hanno recentemente condotto uno studio approfondito sulle transizioni nematiche nei superconduttori di ferro pnictide. La loro carta, pubblicato in Fisica della natura , presenta nuovi dati di imaging di queste transizioni raccolti utilizzando un microscopio che hanno inventato, soprannominato il microscopio atomico criogenico quantistico a scansione (SQCRAMscope).

"Qualche anno fa abbiamo inventato un nuovo tipo di microscopio a scansione di sonda, "Benjamin L. Lev, il ricercatore che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Si può pensare a un normale microscopio ottico, ma invece dell'obiettivo focalizzato su qualche vetrino campione, il focus è su un gas quantistico di atomi che vengono levitati vicino al campione".

Nel nuovo microscopio inventato da Lev e dai suoi colleghi, gli atomi vengono fatti levitare da un dispositivo di intrappolamento "chip atomico" utilizzando campi magnetici, finché non sono solo un micron sopra il vetrino del campione. Questi atomi possono trasdurre i campi magnetici che emanano dal campione nella luce raccolta dalla lente del microscopio. Di conseguenza, SQCRAMscope può essere utilizzato per l'immagine di campi magnetici.

"Gli atomi che usiamo sono ultrafreddi e in uno stato quantico:hanno una temperatura prossima allo zero assoluto e sono tra i gas più freddi dell'universo conosciuto, "Lev ha detto. "Come tale, servono come i migliori sensori di campo magnetico a bassa frequenza su scala micron. Gli atomi possono essere scansionati sulla superficie del materiale, permettendoci di registrare un'immagine 2-D dei campi vicini."

Calcolando la distanza tra gli atomi nel microscopio e la superficie di un materiale, i ricercatori possono eseguire il back-out di immagini di sorgenti di campi magnetici. Le sorgenti di campo magnetico potrebbero, ad esempio, essere elettroni che si muovono o una magnetizzazione generale all'interno di un materiale.

L'acquisizione di immagini di queste fonti mentre le si raffredda utilizzando uno strumento noto come "criostato" potrebbe infine svelare nuovi fenomeni fisici che si verificano in diverse transizioni di fase. Il microscopio sviluppato da Lev e dai suoi colleghi potrebbe quindi fungere da nuovissimo sensore quantistico per l'imaging di campi magnetici provenienti da una varietà di materiali, potenzialmente portando a nuove affascinanti scoperte.

"Una volta dimostrato che lo SQCRAMscope funziona, abbiamo iniziato a cercarne un primo uso scientifico migliore, " Lev ha spiegato. "I superconduttori a base di ferro (pnictide) sembravano candidati ideali, in quanto mostrano un interessante comportamento di trasporto degli elettroni sulla scala della lunghezza del micron a temperature accessibili".

I superconduttori di ferro pnictide hanno una serie di caratteristiche insolite e intriganti. Fino ad oggi, i fisici non sono sicuri di come la superconduttività ad alta temperatura critica (alta Tc), come quello osservato in questi materiali, lavori. I superconduttori a base di ferro sono stati scoperti per la prima volta intorno al 2008. È interessante notare che la ricerca ha rivelato che mostravano alcuni comportamenti simili a quelli dei superconduttori cuprati.

"Questi superconduttori "non convenzionali" (al contrario di quelli convenzionali come l'alluminio a basse temperature) esistono notoriamente nei materiali cuprati, scoperto a metà degli anni '80, "Lev ha detto. "Il meccanismo alla base della loro superconduttività rimane un mistero. I ricercatori che operano nel nostro campo sperano che la spiegazione di questo meccanismo fornisca solide e temperatura ambiente, e superconduttori a pressione ambiente per l'uso in un'ampia varietà di tecnologie."

Una somiglianza chiave tra curprate e superconduttori a base di ferro è che entrambi questi materiali presentano fasi elettroniche insolite della materia, sul lato più caldo della superconduttività. Due delle più famose tra queste fasi della materia sono le fasi "metallo strano" e "elettronematico". La fase nematica elettronica è un esempio di cristallo liquido quantistico, simile ai classici cristalli liquidi che si trovano nei display LCD.

"Questi cristalli classici sono nematici, il che significa che le molecole a bastoncino si allineano tutte lungo una direzione, rompendo la simmetria rotazionale del materiale, "Lev ha detto. "In altre parole, le molecole scelgono una direzione preferita lungo cui puntare. I teorici della materia condensata negli anni '90 iniziarono a pensare a come gli elettroni potessero fare la stessa cosa. Non che gli elettroni siano tutt'altro che puntiformi (per quanto ne sappiamo attualmente), ma che al di sotto di una temperatura di transizione critica, deciderebbero di fluire preferenzialmente (cioè, condotta o trasporto) lungo una particolare direzione in un cristallo, rompendo di nuovo la simmetria rotazionale; questo si presenterebbe come un'anisotropia nella resistività del materiale."

Mentre la nematica elettronica è stata costantemente osservata nei superconduttori a base di ferro, i ricercatori sono ancora incerti sui motivi per cui si verificano e sulla rilevanza di questa fase unica della materia per la fase superconduttiva a bassa temperatura. La teoria non ha ancora definitivamente determinato se questa fase ostacoli, migliora o gioca un ruolo limitato nella determinazione della Tc della fase superconduttiva del materiale.

I pnictidi potrebbero essere materiali ideali per lo studio della nematica elettronica, poiché gli elettroni in essi provocano anche una distorsione spontanea della loro struttura reticolare cristallina. Infatti, ricerche passate hanno scoperto che quando la resistività elettronica di questi materiali diventa anisotropa, il loro reticolo si distorce da una forma quadrata a una forma simile a un parallelogramma (cioè, da tetragonale a ortorombica).

Questa trasformazione ha due conseguenze chiave. in primo luogo, i domini strutturali risultanti hanno un'anisotropia di resistività che punta in direzioni ortogonali. In secondo luogo, il fatto che la distorsione reticolare ruoti la polarizzazione della luce riflessa permette di osservare questi domini utilizzando microscopi ottici.

"Sfortunatamente, la prima conseguenza complica le misure di trasporto, "Lev ha spiegato. "Non si può semplicemente misurare l'anisotropia della resistività con un ohmmetro perché il segnale ha una media di zero sulla struttura del dominio di ribaltamento. È qui che entriamo in gioco noi. Evitiamo questo problema di media utilizzando una sonda locale per visualizzare l'anisotropia locale dominio per dominio osservando le direzioni in cui fluiscono gli elettroni rilevando il campo magnetico che proiettano".

Lev ei suoi colleghi sono stati i primi a visualizzare con successo l'anisotropia della resistività locale nei superconduttori di ferro pnictide. Uno dei motivi per cui hanno avuto successo è che la sonda utilizzata può funzionare a temperature elevate (~130 K), come quelli in cui si verifica questa transizione unica.

"Una sonda standard, come la scansione della magnetometria SQUID non può realmente acquisire immagini a queste temperature ad alta risoluzione perché il dispositivo stesso si surriscalda e smette di funzionare con l'alta sensibilità, " disse Lev. "Al contrario, la nostra sonda è solo un gas di atomi che non assorbono calore dal campione. Inoltre, perché gli atomi sono trasparenti alla maggior parte delle lunghezze d'onda della luce, siamo stati in grado di far brillare una luce sulla superficie per visualizzare queste strutture di dominio nello stesso momento in cui stavamo effettuando le scansioni magnetometriche".

Imaging delle strutture del dominio e acquisizione simultanea di scansioni magnetometriche, i ricercatori sono stati in grado di identificare i siti esatti che stavano scansionando all'interno del materiale e determinare se lo spostamento nelle strutture reticolari osservato nei superconduttori di ferro pnictide si verifica effettivamente alla stessa temperatura critica della loro nematicità elettronica. Utilizzando questo sistema a doppia sonda, Lev e i suoi colleghi potrebbero confermare le loro osservazioni, che non è mai stato raggiunto quando si utilizzano altri dispositivi di ispezione.

"La capacità di imaging locale del nostro dispositivo ci ha permesso di misurare una transizione elettronematica più nitida e vedere che si è verificata alla stessa temperatura della transizione strutturale, " Lev ha detto. "La comunità di ricerca generale si è spesso chiesta se queste transizioni si siano effettivamente verificate alla stessa temperatura, e abbiamo dimostrato che in effetti lo fanno, almeno sulla scala delle lunghezze da micron a decine di micron."

Il nuovo microscopio progettato da Lev e dai suoi colleghi utilizza un condensato di Bose-Einstein, che ha una sensibilità che non dipende dalla temperatura del campione che si sta analizzando. Oltre alla sua funzione di doppia sonda, il microscopio può quindi raccogliere misurazioni estremamente precise a qualsiasi temperatura, dalla stanza alle temperature criogeniche, in modo non invasivo.

Il recente studio condotto da Lev e dai suoi colleghi ha una serie di importanti implicazioni. Soprattutto, lo dimostra, per la prima volta, il potenziale dello SQCRAMscope dei ricercatori per lo studio dei fenomeni fisici.

Utilizzando lo SQCRAMscope, i ricercatori sono stati in grado di raccogliere le prime immagini locali delle transizioni nematiche nei superconduttori di ferro pnictide. Queste immagini offrono nuove preziose informazioni su come e quando avvengono queste transizioni. Nei loro studi successivi, i ricercatori hanno in programma di utilizzare il loro sensore quantistico per indagare ulteriormente sulla nematicità, così come per esplorare i fenomeni fisici in altri materiali quantistici complessi.

"Abbiamo compilato un lungo elenco di materiali interessanti da studiare ora che lo SQCRAMscope è pienamente operativo, " Lev ha detto. "Questi o esibiscono un trasporto di elettroni topologicamente protetto o sono fortemente correlati (cioè, gli elettroni interagiscono e si muovono in una complicata danza tra loro, con la conseguenza che almeno alcuni aspetti della loro fisica sono spesso ancora un mistero)."

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