I superconduttori ad alta temperatura sono una classe di materiali che possono condurre elettricità con una resistenza quasi nulla a temperature relativamente elevate rispetto alle loro controparti standard, che deve essere raffreddato quasi allo zero assoluto, la temperatura più fredda possibile. I materiali ad alta temperatura sono entusiasmanti perché racchiudono la possibilità di rivoluzionare la vita moderna, ad esempio facilitando la trasmissione di energia ultra efficiente o utilizzando computer quantistici all'avanguardia.

Un particolare gruppo di superconduttori ad alta temperatura, i cuprati, è stato studiato per 30 anni, eppure gli scienziati non riescono ancora a spiegare completamente come funzionano:cosa succede all'interno di un cuprate "tipico"?

Mettere insieme un quadro completo del loro comportamento elettronico è vitale per progettare il "Santo Graal" dei cuprati:un versatile, materiale robusto che può supercondurre a temperatura ambiente e pressione ambiente.

A quello scopo, un gruppo di ricerca guidato da scienziati del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) ha recentemente scoperto nuove informazioni sul comportamento elettronico di un particolare cuprato utilizzando una tecnica a raggi X che non è stata, fino ad ora, ampiamente utilizzata per studiarli. Lavorando in parte presso la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) del Brookhaven Lab, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE, i ricercatori hanno utilizzato una forma di diffusione dei raggi X per studiare una disposizione specifica della carica elettrica che si verifica nei cuprati:un modello ordinato di elettroni noto come onda di densità di carica (CDW).

La tecnica a raggi X, la diffusione anelastica di raggi X risonante (RIXS), può aprire nuove intriganti vie di ricerca su questi materiali. I risultati di questa indagine sono pubblicati nell'edizione online del 21 maggio di Lettere di revisione fisica .

CDW nei cuprati

Un CDW può essere visualizzato come un modello di onda stazionaria di elettroni. I CDW sorgono in ordine, materiali cristallini, come cuprati, che sono composti da strati alternati di ossido di rame e un isolante (tipicamente un altro ossido). I piani isolanti fungono da serbatoi di carica che alimentano gli strati di ossido di rame dove avviene la superconduttività.

È stato a lungo sospettato che i CDW svolgano un ruolo vitale nel modo in cui i cuprati conducono il superconduttore, ma caratterizzante, come emerge e scompare, come si comporta, il modo in cui aggiunge o impedisce la superconduttività è una sfida continua per gli scienziati.

Presso NSLS-II e Diamond Light Source del Regno Unito, il gruppo ha studiato un cuprato composto da lantanio, rame, e ossigeno che è stato "drogato" con piccole quantità di stronzio (soprannominato LSCO). Il doping è una tecnica in cui piccole quantità di una sostanza impura vengono aggiunte a un composto per alterarne o migliorarne l'elettricità, ottico, o proprietà strutturali.

Il gruppo ha creato quattro campioni LSCO con quattro diversi livelli di doping. I livelli di doping coprono una gamma di comportamenti elettronici in cui il CDW è più forte e poi scompare. Questa gamma copre anche una transizione nella struttura elettronica di LSCO:la "superficie di Fermi, " che è un guscio 3D teorico che separa gli orbitali elettronici pieni e non riempiti, il volume attorno a un nucleo dove è più probabile che si trovino particolari elettroni, quando il materiale ha una temperatura dello zero assoluto. Le superfici di Fermi sono astratte, ma sono molto importanti, spesso prevedendo il comportamento elettronico di un materiale e molte altre proprietà.

Un nuovo modo di studiare le CDW cuprate

In RIXS, l'energia dei fotoni di raggi X incidenti viene trasferita agli elettroni a livello del nucleo in un campione cristallino, "eccitandoli" nella banda di conduzione. I posti vacanti lasciati dagli elettroni del nucleo sono riempiti da elettroni della banda di valenza, che emettono un fotone mentre fanno il salto nella banda di energia inferiore. Questi fotoni emessi formano uno spettro di energie che può essere analizzato per ottenere informazioni sulle eccitazioni e sul comportamento elettronico complessivo del materiale.

A NSLS-II, il lavoro è stato svolto presso la linea di luce Soft Inelastic X-Ray (SIX), che offre RIXS ad altissima risoluzione energetica. La tecnica ha una maggiore sensibilità alle eccitazioni sia degli elettroni di valenza che dei fononi, le vibrazioni collettive del reticolo atomico. Un CDW può essere associato a queste eccitazioni.

"La recente scoperta che gli effetti CDW sono intrecciati negli spettri RIXS cuprati è stata entusiasmante per i ricercatori in questo campo, poiché contiene la promessa allettante che potremmo essere in grado di chiarire le interazioni che danno origine ai CDW, " ha detto Mark Dean, un fisico nel dipartimento di fisica e scienza dei materiali della materia condensata di Brookhaven, che ha condotto lo studio insieme a Xuerong Liu della Shanghai Tech University e Valentina Bisogni della NSLS-II.

Dean e i suoi colleghi hanno scoperto che gli spettri RIXS sono per lo più invariati a tutti i livelli di doping, pur attraversando il passaggio di Fermi. Ciò indica che gli spettri non sono correlati alle eccitazioni vicino alla superficie di Fermi. Ma imparare di più dagli spettri RIXS, vale a dire, isolare e interpretare i possibili effetti di un CDW è una sfida.

"I CDW modificano inevitabilmente il loro reticolo cristallino ospite e quindi i fononi, " ha detto Bisogni. "Un'ulteriore complicazione è il fatto che ci sono diversi approcci per interpretare i dati RIXS".

Attraverso rigorosi, un'attenta analisi, il team di ricerca ha concluso che gli spettri RIXS hanno poca o nessuna relazione diretta con le eccitazioni elettroniche. Anziché, sono maggiormente influenzati dal comportamento dei fononi, compreso un "ammorbidimento" dei fononi - una riduzione della frequenza - indotto dal CDW e cambiamenti nell'intensità dei fononi.

"La risoluzione energetica record mondiale recentemente raggiunta alla linea di luce SIX è stata cruciale per questa indagine, permettendoci di risolvere e identificare i diversi contributi presenti nei dati RIXS, " ha detto Decano.

Il gruppo afferma che i loro risultati supportano uno scenario in cui il CDW è guidato da "forti correlazioni" tra gli elettroni - un termine usato per descrivere comportamenti elettronici non ben compresi nei materiali - e aggiunge supporto all'idea che la risposta RIXS nel cuprati è guidato da come il CDW modifica il reticolo cristallino, e come tali modifiche invochino interazioni più complesse.

"Grazie alle prestazioni di SIX, siamo riusciti a mettere un nuovo pezzo nel puzzle che è la fisica dei superconduttori cuprati, " disse Bisogni. "Dopo tutto il lavoro per costruire la linea di luce, commissionato, e ottimizzato, è bello vedere la scienza ad alto impatto emergere da questo sforzo. Speriamo che questa pubblicazione sia la prima di molte di queste pubblicazioni collaborative".

Nel lavoro futuro, lo stesso team spera di studiare questi sistemi con una risoluzione energetica ancora più elevata per rivelare i dettagli dei modi vibrazionali a energia inferiore del reticolo.