Los científicos que estudian superconductores de alta temperatura, materiales que transportan corriente eléctrica sin pérdida de energía cuando se enfrían por debajo de una cierta temperatura, han estado buscando formas de estudiar en detalle las interacciones de los electrones que se cree que impulsan esta propiedad prometedora. Un gran desafío es desenredar los diferentes tipos de interacciones, por ejemplo, separando los efectos de los electrones que interactúan entre sí de los causados ​​por sus interacciones con los átomos del material.

Ahora, un grupo de científicos, incluidos físicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU., Ha demostrado una nueva técnica de "acción de parada" impulsada por láser para estudiar interacciones complejas de electrones en condiciones dinámicas. Como se describe en un artículo recién publicado en Comunicaciones de la naturaleza , usan uno muy rápido, intenso láser de "bombeo" para dar a los electrones una ráfaga de energía, y un segundo láser "sonda" para medir el nivel de energía de los electrones y la dirección del movimiento a medida que se relajan y vuelven a su estado normal.

"Al variar el tiempo entre los pulsos láser de 'bomba' y 'sonda' podemos construir un registro estroboscópico de lo que sucede:una película de cómo se ve este material desde el reposo a través de la interacción violenta hasta cómo vuelve a asentarse, "dijo el físico de Brookhaven Jonathan Rameau, uno de los autores principales del artículo. "Es como dejar caer una bola de boliche en un balde de agua para causar una gran interrupción, y luego tomar fotografías en varios momentos después, " él explicó.

La técnica, conocido como resuelto en el tiempo, espectroscopia de fotoelectrones de resolución angular (tr-ARPES), combinado con análisis y simulaciones teóricas complejas, permitió al equipo desentrañar la secuencia y las "firmas" de energía de diferentes tipos de interacciones de electrones. Pudieron detectar distintas señales de interacciones entre electrones excitados (que ocurren rápidamente pero no disipan mucha energía), así como interacciones aleatorias en etapas posteriores entre los electrones y los átomos que forman la red cristalina (que generan fricción y conducen a una pérdida gradual de energía en forma de calor).

Pero también descubrieron otro, señal inesperada, que dicen que representa una forma distinta de pérdida de energía extremadamente eficiente a un nivel de energía particular y una escala de tiempo entre los otros dos.

"Vemos una interacción muy fuerte y peculiar entre los electrones excitados y la red donde los electrones están perdiendo la mayor parte de su energía muy rápidamente de forma coherente, forma no aleatoria, ", Dijo Rameau. A este nivel de energía especial, él explicó, los electrones parecen interactuar con los átomos de la red, todos vibrando a una frecuencia particular, como un diapasón que emite una sola nota. Cuando todos los electrones que tienen la energía requerida para esta interacción única hayan entregado la mayor parte de su energía, comienzan a enfriarse más lentamente al golpear átomos de manera más aleatoria sin golpear la frecuencia "resonante", él dijo.

La frecuencia de la "nota" de interacción de celosía especial es particularmente notable, los científicos dicen, debido a que su nivel de energía se corresponde con un "retorcimiento" en la firma energética del mismo material en su estado superconductor, que fue identificado por primera vez por los científicos de Brookhaven utilizando una forma estática de ARPES. Tras ese descubrimiento, muchos científicos sugirieron que la torcedura podría tener algo que ver con la capacidad del material para convertirse en un superconductor, porque no se observa fácilmente por encima de la temperatura superconductora.

Pero los nuevos experimentos resueltos en el tiempo, que se realizaron en el material muy por encima de su temperatura superconductora, fueron capaces de desentrañar la sutil señal. Estos nuevos hallazgos indican que esta condición especial existe incluso cuando el material no es un superconductor.

"Ahora sabemos que esta interacción no solo se activa cuando el material se convierte en un superconductor; en realidad, siempre está ahí, "Dijo Rameau.

Los científicos todavía creen que hay algo especial en el nivel de energía de la interacción única similar a un diapasón. Se han observado otros fenómenos intrigantes a este mismo nivel de energía, que Rameau dice que ha sido estudiado con un detalle insoportable.

Es posible, él dice, que la interacción de celosía de una nota juega un papel en la superconductividad, pero requiere algún factor adicional aún por determinar para activar la superconductividad.

"Claramente hay algo especial en esta nota, "Dijo Rameau.