Los experimentos con superconductores cerámicos de óxido de cobre ultradelgados realizados por investigadores del MIT mostraron un desorden inesperado, o "vidrioso, "disposición de electrones, conocido como un "vaso de Wigner". A la izquierda "Espacio de Fourier, "o espacio de impulso, muestra los datos de difracción que demostraron la tendencia de las ondas de carga a alinearse en cualquier dirección, mientras que la imagen de la derecha muestra la ubicación aleatoria de los electrones en el "espacio real". Crédito:Min Gu Kang
Cuprates, una clase de cerámicas de óxido de cobre que comparten un bloque de construcción común de átomos de cobre y oxígeno en una celosía cuadrada plana, se han estudiado por su capacidad para ser superconductores a temperaturas relativamente altas. En su estado prístino, sin embargo, son un tipo especial de aislante (un material que no conduce electricidad fácilmente) conocido como aislante Mott.
Cuando los portadores de carga eléctrica, ya sean electrones o la falta de electrones, conocidos como "agujeros":se agregan a un aislante en un proceso llamado dopaje, el aislante puede convertirse en un metal, que conduce fácilmente la electricidad, o un semiconductor, que puede conducir electricidad dependiendo del medio ambiente. Cuprates, sin embargo, no se comportan ni como un aislante normal ni como un metal normal debido a las fuertes interacciones entre sus electrones. Para evitar el gran costo de energía derivado de estas interacciones, los electrones se organizan espontáneamente en un estado colectivo donde el movimiento de cada partícula está ligado al de todas las demás.
Un ejemplo es el estado superconductor, donde los electrones se mueven al unísono y derivan con cero fricción neta cuando se aplica un potencial, un estado de resistencia cero que es una característica definitoria de un superconductor. Otro estado electrónico colectivo es una "onda de densidad de carga, "un término acuñado a partir de la modulación ondulatoria en la densidad de electrones, en el que los electrones se "congelan" en patrones periódicos y estáticos, al mismo tiempo obstaculizar el flujo de electrones. Este estado es antagónico al estado superconductor, y, por lo tanto, importante de estudiar y comprender. En cupratos, Las ondas de densidad de carga prefieren alinearse con las filas atómicas de átomos de cobre y oxígeno que forman la estructura cristalina subyacente. con "crestas" de onda que ocurren cada tres a cinco celdas unitarias, dependiendo del material y el nivel de dopaje.
Usando una técnica conocida como dispersión de rayos X resonantes para estudiar estas ondas de densidad de carga en dos compuestos de cuprato diferentes, óxido de cobre de neodimio (Nd 2 CuO 4 o NCO) y óxido de cobre praseodimio (Pr 2 CuO 4 o PCO) dopado con electrones extra, Los investigadores del MIT hicieron un descubrimiento inesperado. Su trabajo reveló una fase del material donde los electrones caen en un desorden, o "vidrioso, " arreglo, apodado un "vaso de Wigner". Los resultados se publicaron recientemente en un artículo en Física de la naturaleza .
La dispersión de rayos X resonantes es una técnica de difracción desarrollada recientemente en la que la cristalografía se realiza en electrones en lugar de exclusivamente en los átomos como en la difracción de rayos X convencional. "En el límite de la baja concentración de electrones dopados, observamos una forma completamente nueva e inesperada de fase electrónica que no es ni un superfluido ni un cristal, pero tiene las características de un vaso Wigner. En esta fase, los electrones forman un estado colectivo sin ninguna preferencia de orientación, "dice el autor principal del artículo, Riccardo Comin, profesor asistente de física en el MIT. Un vaso de electrones tan amorfo no tiene precedentes en esta familia de materiales, él añade.
Este fenómeno surge solo en una estrecha ventana de dopaje electrónico. "Curiosamente, este nuevo estado exótico solo existe en una pequeña región del diagrama de fase electrónico de este material, y cuando se dopan más electrones en los planos [de óxido de cobre], se recupera un cristal electrónico más convencional, cuyas ondas se alinean con los ejes cristalográficos de la red atómica subyacente, "Min Gu Kang, el autor principal del artículo, explica.
El equipo del MIT, que consiste en Comin, estudiante de posgrado Kang, y postdoctorado Jonathan Pelliciari, diseñó el proyecto y dirigió la mayoría de los experimentos. Su investigación fue posible gracias a las contribuciones de investigadores de diversas instituciones e instalaciones en todo el mundo. Se realizaron mediciones de dispersión de rayos X resonantes en múltiples instalaciones de sincrotrón, incluido el Anillo de Almacenamiento de Electrones de Berlín en Alemania, la fuente de luz canadiense en Saskatoon, Saskatchewan, Canadá, y la fuente de luz avanzada, en Berkeley, California. Las muestras de película delgada de óxido de cobre se cultivaron en NTT Basic Research Laboratories en Japón. El análisis teórico fue desarrollado por investigadores del Instituto Indio de Ciencia en India.
Comin señala que la teoría propuesta explica el papel de la estructura de la banda electrónica en el gobierno del espaciamiento periódico y la falta de preferencia de orientación de las ondas de densidad en función del nivel de dopaje en este material. "Nuestra teoría sugiere que estas ondas electrónicas se forman inicialmente con formas irregulares y probablemente estén nucleadas alrededor de defectos o impurezas en el material, "Dice Comin." Cuando aumenta la densidad de portadores, los electrones logran encontrar una disposición más ordenada que minimiza la energía total del sistema, restaurando así las ondas de densidad de carga más convencionales que se han observado universalmente en todas las familias de superconductores de óxido de cobre ".
"Me quedé completamente impresionado por los resultados de Riccardo en NCO y PCO, "dice Peter Abbamonte, Profesor de Ingeniería de la Familia Fox en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, que desarrolló la técnica de dispersión de rayos X suave resonante. Observando que el orden de la onda de densidad de carga (CDW) en cupratos ha estado en el centro del campo durante más de una década, Abbamonte, que no participó en esta investigación, explica que el entendimiento previo ha sido que la orden CDW está anclada a la red cristalina, lo que significa que la onda de densidad de carga debe apuntar en cualquiera de dos direcciones perpendiculares, pero en ningún lugar intermedio. Esta sabiduría convencional se basa en dos décadas de experimentos de microscopía de túnel de barrido y dispersión resonante que siempre han encontrado que este es el caso. él nota.
La investigación de Comin sobre estos cupratos dopados con electrones en particular mostró que durante la fase vítrea el orden de carga puede apuntar en cualquier dirección, independiente de la red cristalina en la que vive ". La afirmación más precisa es que el parámetro de orden CDW no es similar a Ising (es decir, tomando solo valores discretos, en este caso dos:xoy), como siempre se ha asumido, pero es más como un parámetro de orden X-Y (es decir, libre de elegir cualquier valor en un rango continuo, como todas las direcciones entre xey como es el caso aquí) que está solo débilmente influenciado por el cristal, "Dice Abbamonte.
"La comunidad tardará algún tiempo en digerir por completo este descubrimiento y sus implicaciones para comprender la relevancia del orden de los trabajadores domésticos domésticos". "Abbamonte agrega." Lo que está claro es que el artículo de Riccardo va a llevar a un ajuste de cuentas serio de las reglas del juego, y en este sentido es un gran avance para el campo ”.
Los superconductores tienen un inmenso potencial en gran parte sin explotar para aplicaciones transformadoras como la computación cuántica, transporte de energía sin pérdidas, detección magnética y diagnóstico por imágenes médicas, y tecnologías de energía de fusión nuclear y de plasma.
"En general, Nuestro estudio ha revelado otra manifestación del exquisito carácter cuántico de los portadores de carga en superconductores de alta temperatura. que en última instancia surge de la naturaleza de las interacciones electrónicas, "Dice Comin." El comportamiento detallado de los electrones descubierto en este trabajo proporciona nuevos conocimientos sobre cómo la superconductividad de alta temperatura nace de un aislante Mott, y promete salvar una brecha entre las regiones del diagrama de fase con fenomenologías muy contrastantes ".
Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.
