Se utilizaron intensos pulsos de láser para fotoexcitar compuestos de bismutato, en el que coexisten “ondas de densidad de carga” (lado izquierdo) con superconductividad (lado derecho). Crédito:Joerg M. Harms, MPSD
Un estudio dirigido por científicos del Instituto Max Planck para la Estructura y Dinámica de la Materia (MPSD) en el Centro de Ciencia del Láser de Electrones Libres en Hamburgo presenta evidencia de la coexistencia de superconductividad y "ondas de densidad de carga" en compuestos del Familia de bismutatos poco estudiada. Esta observación abre nuevas perspectivas para una comprensión más profunda del fenómeno de la superconductividad de alta temperatura, un tema que está en el centro de la investigación de la materia condensada desde hace más de 30 años. El artículo de Nicoletti et al ha sido publicado en la PNAS .
Desde principios del siglo XX, Se había observado superconductividad en algunos metales a temperaturas sólo unos pocos grados por encima del cero absoluto (menos 273 grados Celsius). Solo en la década de 1980, Los físicos lograron sintetizar nuevas clases de compuestos, a base de materiales cerámicos, que pudieron conducir electricidad sin pérdidas a temperaturas tan altas como 138 K (menos 135 grados Celsius). Estos se denominaron "superconductores de alta temperatura".
La familia de superconductores de alta temperatura más conocida y estudiada es la de los cupratos, que muestran, con mucho, las temperaturas críticas más altas (es decir, la temperatura por debajo de la cual se produce la superconductividad), y, por lo tanto, son las más prometedoras para las aplicaciones. Sin embargo, existe una amplia variedad de otros compuestos, que también manifiestan superconductividad a temperaturas bastante altas, entre ellos los pnictides de hierro recientemente descubiertos.
Todavía falta una imagen universal capaz de describir la física detrás del fenómeno de la superconductividad de alta temperatura. Sin embargo, un punto en común importante entre casi todos los superconductores de alta temperatura es la aparición de superconductividad en la proximidad de otras fases exóticas de la materia, como las "ondas de densidad de carga". Todos estos materiales se pueden ajustar normalmente de una fase a otra, posiblemente logrando superconductividad, por dopaje químico, presión externa, o campos magnéticos. Sin embargo, la sutil interrelación de estas fases sigue siendo poco conocida, y en algún caso, Hay evidencias de que las ondas de densidad de carga y la superconductividad pueden incluso coexistir microscópicamente en el mismo compuesto.
En tales circunstancias, experimentos realizados mediante materiales estimulantes con ultracorto, En el pasado, se ha demostrado que los intensos pulsos de láser (tan cortos como unos pocos cientos de femtosegundos) proporcionan nuevos conocimientos sobre la física de estos sistemas. Por ejemplo, el grupo de Andrea Cavalleri en el MPSD en Hamburgo ya ha demostrado con éxito que, en algunos compuestos de cupratos, Estos pulsos se pueden utilizar para eliminar ondas de densidad de carga y promover la superconductividad a temperaturas más altas. posiblemente incluso hasta la temperatura ambiente (W. Hu, Materiales de la naturaleza , 13, 705–711 y R. Mankowsky, Naturaleza 516, 71–73).
En el presente trabajo, Nicoletti, Cavalleri y compañeros de trabajo se centraron en diferentes compuestos, perteneciente a la pobremente estudiada familia de los bismutatos. Estos superconductores fueron descubiertos en la década de 1970, incluso antes de los cupratos, pero atrajeron menos atención debido a sus temperaturas críticas mucho más bajas (alrededor de 30 K). Comparten muchos puntos en común, pero también algunas diferencias con sus parientes más conocidos. En particular, el llamado "compuesto principal", BaBiO (3), tiene una fase de onda de densidad de carga robusta, de donde emerge la superconductividad por sustitución química.
Cristales de BaPb de alta calidad 1-x BixO 3 , con diferentes concentraciones de Pb "x", fueron sintetizados y caracterizados por Ian R. Fisher y P. Giraldo-Gallo en la Universidad de Stanford, California. El equipo de Hamburgo realizó una serie de experimentos con estos cristales, en el que fotoexcitaron los materiales con pulsos de láser muy cortos e intensos y midieron cómo su conductividad se modificó transitoriamente y se relajó de nuevo al valor inicial en unos pocos picosegundos. Al analizar la dependencia de dicha señal en la frecuencia, temperatura, y concentración de Pb, podrían asignarlo únicamente a una modificación de la fase de onda de densidad de carga inducida por el campo láser.
"Sorprendentemente", dice Nicoletti, "pudimos medir esta respuesta no solo en el compuesto original BaBiO 3 , para el que se sabe que existe una onda de densidad de carga, pero también en un compuesto superconductor dopado con Pb. Esta observación es una demostración indirecta de la coexistencia de ondas de densidad de carga y superconductividad en el mismo material. algo que se ha discutido anteriormente, pero nunca definitivamente establecido en esta clase de materiales ".
Los científicos también pudieron determinar exactamente las escalas de energía asociadas con la modificación de las ondas de densidad de carga, proporcionando así nueva información sobre su interacción dinámica con la superconductividad en bismutatos.
Estos resultados son especialmente oportunos dado que recientemente se han encontrado ondas de densidad de carga en varios superconductores de cuprato. apuntando hacia una sorprendente coincidencia entre algunos aspectos de estos materiales. El presente experimento es un ejemplo adicional de cómo se puede emplear la luz para investigar, control, y manipular materiales complejos. Uno de los objetivos finales de esta línea de investigación es orientar a la ingeniería de materiales para desarrollar nuevas funcionalidades a temperaturas cada vez más elevadas.
