Quando gli scienziati studiano i superconduttori non convenzionali, materiali complessi che conducono elettricità senza perdite a temperature relativamente elevate, spesso si affidano a modelli semplificati per capire cosa sta succedendo.

I ricercatori sanno che questi materiali quantistici ottengono le loro capacità da elettroni che uniscono le forze per formare una sorta di zuppa di elettroni. Ma modellare questo processo in tutta la sua complessità richiederebbe molto più tempo e potenza di calcolo di quanto chiunque possa immaginare di avere oggi. Quindi, per comprendere una classe chiave di superconduttori non convenzionali:gli ossidi di rame, o cuprates:i ricercatori hanno creato, per semplicità, un modello teorico in cui il materiale esiste in una sola dimensione, come una stringa di atomi. Hanno realizzato questi cuprati unidimensionali in laboratorio e hanno scoperto che il loro comportamento concordava abbastanza bene con la teoria.

Sfortunatamente, a queste catene atomiche 1D mancava una cosa:non potevano essere drogate, un processo in cui alcuni atomi vengono sostituiti da altri per modificare il numero di elettroni liberi di muoversi. Il doping è uno dei numerosi fattori che gli scienziati possono regolare per modificare il comportamento di materiali come questi, ed è una parte fondamentale per farli diventare superconduttori.

Ora uno studio condotto da scienziati dello SLAC National Accelerator Laboratory del Department of Energy e delle università di Stanford e Clemson ha sintetizzato il primo materiale cuprato 1D che può essere drogato. La loro analisi del materiale drogato suggerisce che il modello proposto più importante di come i cuprati raggiungano la superconduttività manca di un ingrediente chiave:un'attrazione inaspettatamente forte tra gli elettroni vicini nella struttura atomica del materiale, o reticolo. quell'attrazione, loro hanno detto, può essere il risultato di interazioni con vibrazioni reticolari naturali.

Il team ha riportato i risultati oggi in Scienza .

"L'incapacità di drogare in modo controllabile i sistemi cuprati unidimensionali è stata una barriera significativa alla comprensione di questi materiali per più di due decenni, " disse Zhi-Xun Shen, un professore e ricercatore di Stanford presso lo Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) presso lo SLAC.

"Ora che l'abbiamo fatto, " Egli ha detto, "i nostri esperimenti mostrano che il nostro modello attuale non rileva un fenomeno molto importante che è presente nel materiale reale".

Zhuoyu Chen, un ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Shen che ha guidato la parte sperimentale dello studio, ha affermato che la ricerca è stata resa possibile da un sistema sviluppato dal team per creare catene 1D incorporate in un materiale 3D e spostarle direttamente in una camera presso la Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) di SLAC per l'analisi con un potente raggio di raggi X.

"È una configurazione unica, " Egli ha detto, "e indispensabile per ottenere i dati di alta qualità di cui avevamo bisogno per vedere questi effetti molto sottili".

Dalle griglie alle catene, in teoria

Il modello predominante utilizzato per simulare questi materiali complessi è noto come modello Hubbard. Nella sua versione 2D, si basa su un appartamento, griglia equidistanti degli atomi più semplici possibili.

Ma questa griglia 2D di base è già troppo complicata da gestire per i computer e gli algoritmi di oggi, disse Thomas Devereaux, un professore dello SLAC e di Stanford e ricercatore SIMES che ha supervisionato la parte teorica di questo lavoro. Non esiste un modo ben accettato per assicurarsi che i calcoli del modello per le proprietà fisiche del materiale siano corretti, quindi se non corrispondono ai risultati sperimentali è impossibile dire se i calcoli o il modello teorico sono andati male.

Per risolvere quel problema, gli scienziati hanno applicato il modello Hubbard a catene 1D del reticolo cuprato più semplice possibile, una stringa di atomi di rame e ossigeno. Questa versione 1D del modello può calcolare e catturare con precisione il comportamento collettivo degli elettroni in materiali costituiti da catene 1D non drogate. Ma fino ad ora, non c'è stato un modo per testare l'accuratezza delle sue previsioni per le versioni drogate delle catene perché nessuno è stato in grado di farle in laboratorio, nonostante più di due decenni di tentativi.

"Il nostro principale risultato è stato sintetizzare queste catene drogate, " Ha detto Chen. "Siamo stati in grado di drogarli su una gamma molto ampia e ottenere dati sistematici per definire con precisione ciò che stavamo osservando".

Uno strato atomico alla volta

Per realizzare le catene 1D drogate, Chen e i suoi colleghi hanno spruzzato un film di un materiale cuprato noto come ossido di rame di bario stronzio (BSCO), solo pochi strati atomici spessi, su una superficie di supporto all'interno di una camera sigillata presso la linea di luce SSRL appositamente progettata. La forma dei reticoli nel film e sulla superficie si è allineata in modo da creare catene 1D di rame e ossigeno incorporate nel materiale 3D BSCO.

Hanno drogato le catene esponendole all'ozono e al calore, che aggiungevano atomi di ossigeno ai loro reticoli atomici, disse Chen. Ogni atomo di ossigeno ha tirato fuori un elettrone dalla catena, e quegli elettroni liberati diventano più mobili. Quando milioni di questi elettroni a flusso libero si uniscono, possono creare lo stato collettivo che è alla base della superconduttività.

Successivamente i ricercatori hanno spostato le loro catene in un'altra parte della linea di luce per l'analisi con la spettroscopia di fotoemissione ad angolo risolta, o ARPE. Questa tecnica espelleva gli elettroni dalle catene e ne misurava la direzione e l'energia, dando agli scienziati un'immagine dettagliata e sensibile di come si comportano gli elettroni nel materiale.

Attrazioni sorprendentemente forti

La loro analisi ha mostrato che nel materiale 1D drogato, l'attrazione degli elettroni verso le loro controparti nei siti reticolari vicini è 10 volte più forte di quanto previsto dal modello di Hubbard, ha detto Yao Wang, un assistente professore alla Clemson University che ha lavorato sul lato teorico dello studio.

Il team di ricerca ha suggerito che questo alto livello di attrazione del "vicino più vicino" potrebbe derivare dalle interazioni con i fononi, vibrazioni naturali che fanno oscillare il reticolo atomico. È noto che i fononi svolgono un ruolo nella superconduttività convenzionale, e ci sono indicazioni che potrebbero anche essere coinvolti in modo diverso nella superconduttività non convenzionale che si verifica a temperature molto più calde in materiali come i cuprati, anche se ciò non è stato definitivamente dimostrato.

Gli scienziati hanno detto che è probabile che questa forte attrazione del vicino più prossimo tra gli elettroni esista in tutti i cuprati e possa aiutare a comprendere la superconduttività nelle versioni 2D del modello Hubbard e dei suoi simili, dando agli scienziati un quadro più completo di questi materiali sconcertanti.