Un equipo internacional liderado por científicos del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía y la Universidad de Stanford ha detectado nuevas características en el comportamiento electrónico de un material de óxido de cobre que pueden ayudar a explicar por qué se convierte en un conductor eléctrico perfecto, un superconductor, a temperaturas relativamente altas. .

Utilizando un instrumento de rayos X de ultra alta resolución en Francia, Los investigadores vieron por primera vez comportamientos dinámicos en la onda de densidad de carga (CDW) del material, un patrón de electrones que se asemeja a una onda estacionaria, que respaldan la idea de que estas ondas pueden desempeñar un papel en la superconductividad de alta temperatura.

Los datos tomados a temperaturas bajas (20 kelvins) y altas (240 kelvins) mostraron que a medida que aumentaba la temperatura, el CDW se alineó más con la estructura atómica del material. Notablemente, a la temperatura más baja, el CDW también indujo un aumento inusual en la intensidad de las vibraciones de la red atómica del óxido, lo que indica que los comportamientos dinámicos de CDW pueden propagarse a través de la red.

"Investigaciones anteriores han demostrado que cuando el CDW es estático, compite con la superconductividad y la disminuye, "dijo el coautor Wei-Sheng Lee, un científico e investigador del personal de SLAC del Instituto Stanford de Ciencias de los Materiales y la Energía (SIMES), que dirigió el estudio publicado el 12 de junio en Física de la naturaleza . "Si, por otra parte, el CDW no es estático sino fluctuante, la teoría nos dice que en realidad pueden ayudar a formar superconductividad ".

Una búsqueda de una explicación durante décadas

El nuevo resultado es el último en una búsqueda de décadas por parte de investigadores de todo el mundo para los factores que permiten que ciertos materiales se conviertan en superconductores a temperaturas relativamente altas.

Desde la década de 1950, Los científicos han sabido cómo ciertos metales y aleaciones simples se vuelven superconductores cuando se enfrían a unos pocos grados del cero absoluto:sus electrones se emparejan y montan ondas de vibraciones atómicas que actúan como un pegamento virtual para mantener unidos los pares. Por encima de cierta temperatura, sin embargo, el pegamento falla a medida que aumentan las vibraciones térmicas, los pares de electrones se dividen y la superconductividad desaparece.

En 1986, Se descubrió que los materiales complejos de óxido de cobre se volvían superconductores a temperaturas mucho más altas, aunque todavía bastante frías. Este descubrimiento fue tan inesperado que causó sensación científica mundial. Al comprender y optimizar cómo funcionan estos materiales, Los investigadores esperan desarrollar superconductores que funcionen a temperatura ambiente y superiores.

En primer lugar, el pegamento más probable que mantiene unidos los pares de electrones superconductores a temperaturas más altas parece ser una fuerte excitación magnética creada por interacciones entre espines de electrones. Pero en 2014, una simulación teórica y experimentos dirigidos por investigadores de SIMES concluyeron que estas interacciones magnéticas de alta energía no son el único factor en la superconductividad de alta temperatura del óxido de cobre. Un TCD no anticipado también pareció ser importante.

Los últimos resultados continúan la colaboración SIMES entre el experimento y la teoría. Sobre la base de teorías anteriores de cómo las interacciones de los electrones con las vibraciones de la red se pueden probar con la dispersión de rayos X inelástica resonante, o RIXS, finalmente se identificó la firma de la dinámica CDW, proporcionando apoyo adicional para el papel del CDW en la determinación de la estructura electrónica en los óxidos de cobre superconductores.

La nueva herramienta esencial:RIXS

Los nuevos resultados están habilitados por el desarrollo de instrumentos más capaces que emplean RIXS. Ahora disponible en ultra alta resolución en la Instalación Europea de Radiación Sincrotrón (ESRF) en Francia, donde el equipo realizó este experimento, RIXS también será una característica importante del láser de electrones libres de rayos X de fuente de luz coherente Linac mejorada de SLAC, LCLS-II. La combinación de resolución de energía ultra alta y una alta tasa de repetición de pulsos en LCLS-II permitirá a los investigadores ver fluctuaciones CDW más detalladas y realizar experimentos destinados a revelar detalles adicionales de su comportamiento y vínculos con la superconductividad de alta temperatura. Más importante, Los investigadores de LCLS-II podrán utilizar interacciones ultrarrápidas entre luz y materia para controlar las fluctuaciones de CDW y luego tomar instantáneas de ellas en una escala de tiempo de femtosegundos.

RIXS implica iluminar una muestra con rayos X que tienen la energía suficiente para excitar algunos electrones en el interior de los átomos objetivo para saltar a una órbita más alta específica. Cuando los electrones se relajan y vuelven a sus posiciones anteriores, una pequeña fracción de ellos emite rayos X que transportan valiosa información a escala atómica sobre la configuración electrónica y magnética del material que se cree que es importante en la superconductividad de alta temperatura.

"Hasta la fecha, ninguna otra técnica ha visto evidencia de propagar la dinámica de CDW, "Dijo Lee.

RIXS se demostró por primera vez a mediados de la década de 1970, pero no pudo obtener información útil para abordar problemas clave hasta 2007, cuando Giacomo Ghiringhelli, Lucio Braicovich del Politécnico de Milán en Italia y sus colegas de Swiss Light Source hicieron un cambio fundamental que mejoró su resolución de energía a un nivel en el que se hicieron visibles detalles significativos, técnicamente hablando a aproximadamente 120 milielectronvoltios (meV) en la longitud de onda de rayos X relevante. que se llama borde L de cobre. El nuevo instrumento RIXS en ESRF es tres veces mejor, alcanzando rutinariamente una resolución de energía de hasta 40 meV. Desde 2014, el grupo de Milán ha colaborado con científicos de SLAC y Stanford en su investigación RIXS.

"El nuevo RIXS de ultra alta resolución marca una gran diferencia, ", Dijo Lee." Puede mostrarnos detalles previamente invisibles ".