Vidya Madhavan, profesor de física en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, trabaja con estudiantes en su laboratorio, en el Laboratorio de Investigación de Materiales Frederick Seitz. Madhavan se especializa en la experimentación de materia condensada. Crédito:Universidad de Illinois en Urbana-Champaign
Desde el descubrimiento hace dos décadas del superconductor topológico no convencional Sr 2 RuO 4 , Los científicos han investigado exhaustivamente sus propiedades a temperaturas por debajo de su temperatura crítica de 1 ° K (Tc), en el que se produce una transición de fase de un metal a un estado superconductor. Ahora experimentos realizados en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign en los laboratorios Madhavan y Abbamonte, en colaboración con investigadores de seis instituciones en los EE. UU., Canadá, Reino Unido, y japón, han arrojado nueva luz sobre las propiedades electrónicas de este material a temperaturas 4 ° K por encima de Tc. Los hallazgos del equipo pueden dilucidar preguntas aún no resueltas sobre Sr 2 RuO 4 Propiedades emergentes en el estado superconductor.
Vidya Madhavan, profesor de física y miembro del Laboratorio de Investigación de Materiales Frederick Seitz en la U. de I., dirigió el experimento. Ella explica, "Partimos de la suposición generalizada de que, en Sr 2 RO 4 estado metálico normal por encima de su Tc, las interacciones de los electrones serían suficientemente débiles, para que el espectro de excitaciones o estados electrónicos esté bien definido ".
Madhavan continúa, "Sin embargo, y esta es una gran sorpresa, nuestro equipo observó grandes efectos de interacción en el estado metálico normal. Los electrones en los metales tienen un momento y una energía bien definidos. En metales simples, a bajas temperaturas, los electrones ocupan todos los estados de momento en una región delimitada por una "superficie de Fermi". Aquí encontramos que la velocidad de los electrones en algunas direcciones a través de la superficie de Fermi se redujo en aproximadamente un 50 por ciento, que no se espera. Vimos efectos de interacción similares en la densidad de túnel de los estados. Esta es una reducción significativa, y fue una gran sorpresa. Pensamos que encontraríamos la forma de la superficie de Fermi, pero en vez, obtenemos estas anomalías ".
Esta investigación se basa en técnicas de medición de corriente que son altamente sensibles, produciendo resultados muy precisos. Las imágenes a-c representan mapas de conductancia a diferentes niveles de energía. Las imágenes de alta resolución d a l se tomaron con espectroscopía de túnel de barrido por transformada de Fourier; el cuadrado brillante revela la presencia de un electrón con una longitud de onda particular. En el estado superconductor, estas luces desaparecerían cuando los electrones se emparejan en pares de Cooper. Imagen cortesía de Vidya Madhavan, Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, Departamento de Física y Laboratorio de Investigación de Materiales Frederick Seitz Crédito:Departamento de Física de la Universidad de Illinois
Eduardo Fradkin, profesor de física y director del Instituto de Teoría de la Materia Condensada de la U. de I., comentarios "Las propiedades electrónicas básicas de este material se conocen desde hace algún tiempo. Los científicos estudian este material porque se supone que es un sistema simple para probar efectos científicos. Pero el material también ha sido una fuente de debate continuo en el campo:este es un superconductor de onda p, con emparejamiento de tripletes. Esto ha sugerido que el estado superconductor puede ser de naturaleza topológica. Entender cómo este sistema se vuelve superconductor es una pregunta abierta e intrigante ".
El gran avance para comprender las desconcertantes propiedades del estado superconductor del material puede residir en este estado anómalo normal (no superconductor). En un estado metálico normal convencional a baja temperatura, los estados electrónicos se comportan como cuasi-partículas bien definidas, como lo describe la teoría líquida de Landau-Fermi. Pero los investigadores encontraron anomalías en las interacciones de partículas a 5 ° K que realmente caracterizan a Sr 2 RuO 4 como un "metal fuertemente correlacionado".
En el experimento, El equipo de Madhavan pasó electrones al material usando una punta metálica electrónica, luego midió la corriente resultante usando dos técnicas altamente avanzadas y complementarias, Espectroscopía de túnel de barrido por transformada de Fourier y espectroscopía de pérdida de energía electrónica con resolución de momento. En cuatro ejecuciones de datos, los científicos encontraron un cambio significativo en la probabilidad de que el electrón hiciera un túnel cerca de la energía cero, en comparación con Fermi-líquidos.
"Nos sorprendió ver tanta información valiosa, "comparte Madhavan". Empezamos a hablar con Eduardo sobre la teoría y con Peter Abbamonte sobre sus experimentos. El grupo de Abbamonte, aplicando la técnica de espectroscopia de pérdida de energía de electrones con resolución de momento, también encuentra interacciones con modos colectivos a las mismas energías ".
"La pregunta abierta ahora, encontramos algo interesante a 4 ° K por encima de la transición de fase superconductora. ¿Qué importancia tiene esto para lo que está sucediendo por debajo de la temperatura superconductora? ", Continúa Madhavan. El equipo planea profundizar en esa pregunta a continuación:" Cuando Vidya pasa al estado superconductor, sabremos mas, Fradkin afirma:"Estos hallazgos le permitirán adoptar un enfoque único para revelar el parámetro de orden superconductor de este material en los próximos experimentos".
La publicación anticipada en línea de estos resultados apareció el 8 de mayo de 2017, en Física de la naturaleza .
