Un'immagine catturata da laser-PEEM che mostra la disposizione degli elettroni in un campione di materiale IBSC. In questa tecnica, le immagini sono realizzate con luce laser che illumina il campione in due direzioni diverse. Il dicroismo lineare (LD) si riferisce alla differenza tra le immagini realizzate da queste due direzioni di illuminazione; ti permette di vedere dettagli che altrimenti non potresti vedere, come in questo caso la distribuzione degli elettroni. Credito:Shin et al.
Studiando il comportamento degli elettroni nei materiali superconduttori a base di ferro, i ricercatori dell'Università di Tokyo hanno osservato uno strano segnale relativo al modo in cui sono disposti gli elettroni. Il segnale implica una nuova disposizione di elettroni che i ricercatori chiamano onda di nematicità, e sperano di collaborare con i fisici teorici per capirlo meglio. L'onda di nematicità potrebbe aiutare i ricercatori a capire il modo in cui gli elettroni interagiscono tra loro nei superconduttori.
Un sogno di vecchia data dei fisici dello stato solido è quello di comprendere appieno il fenomeno della superconduttività, essenzialmente conduzione elettronica senza la resistenza che crea calore e assorbe energia. Inaugurerebbe un mondo completamente nuovo di dispositivi incredibilmente efficienti o potenti ed è già utilizzato sul treno proiettile sperimentale a levitazione magnetica del Giappone. Ma c'è molto da esplorare in questo argomento complesso, e spesso sorprende i ricercatori con risultati e osservazioni inaspettati.
Il professor Shik Shin dell'Istituto di fisica dello stato solido dell'Università di Tokyo e il suo team studiano il modo in cui gli elettroni si comportano nei materiali superconduttori a base di ferro, o IBSC. Questi materiali mostrano molte promesse in quanto potrebbero funzionare a temperature più elevate rispetto ad altri materiali superconduttori, il che è una preoccupazione importante. Usano anche componenti di materiali meno esotici, quindi può essere più facile ed economico lavorare con. Per attivare la capacità superconduttiva di un campione, il materiale deve essere raffreddato a diverse centinaia di gradi sotto lo zero. E durante questo processo di raffreddamento accadono cose interessanti.
Un diagramma della configurazione sperimentale sperimentata dal team. Credito:Shin et al.
"Mentre gli IBSC si raffreddano a un certo livello, esprimono uno stato che chiamiamo nematicità elettronica, " disse Shin. "Qui è dove il reticolo cristallino del materiale e gli elettroni al suo interno sembrano essere disposti in modo diverso a seconda dell'angolo con cui li guardi, altrimenti noto come anisotropia. Ci aspettiamo che il modo in cui sono disposti gli elettroni sia strettamente accoppiato al modo in cui è disposto il reticolo cristallino circostante. Ma la nostra recente osservazione mostra qualcosa di molto diverso e in realtà abbastanza sorprendente".
Shin e il suo team hanno utilizzato una tecnica speciale sviluppata dal loro gruppo chiamata laser-PEEM (microscopia elettronica a fotoemissione) per visualizzare il loro campione IBSC su scala microscopica. Si aspettavano di vedere uno schema familiare che si ripeteva ogni pochi nanometri (miliardesimi di metro). E sicuramente il reticolo cristallino mostrava questo schema. Ma con loro sorpresa, il team ha scoperto che lo schema degli elettroni si ripeteva invece ogni poche centinaia di nanometri.
Questa disparità tra l'onda di nematicità elettronica e la struttura cristallina dell'IBSC era inaspettata, quindi le sue implicazioni sono ancora oggetto di indagine. Ma il risultato potrebbe aprire la porta ad esplorazioni teoriche e sperimentali su qualcosa di fondamentale per il fenomeno della superconduttività, e questo è il modo in cui gli elettroni formano coppie a basse temperature. La conoscenza di questo processo potrebbe essere cruciale per lo sviluppo della superconduttività ad alta temperatura. Quindi se le onde di nematicità sono correlate, è importante sapere come.
"Prossimo, Spero che possiamo lavorare con i fisici teorici per approfondire la nostra comprensione delle onde di nematicità, " ha detto Shin. "Vogliamo anche usare il laser-PEEM per studiare altri materiali correlati come gli ossidi metallici come l'ossido di rame. Potrebbe non essere sempre ovvio dove si trovano le applicazioni, ma lavorare su problemi di fisica fondamentale mi affascina davvero".
Lo studio è pubblicato sulla rivista Scienza .
