Las cargas dopadas en los planos de CuO2 de los superconductores de cuprato forman "franjas" regulares unidimensionales a bajas temperaturas. La excitación con pulsos ultrarrápidos del infrarrojo cercano permite la observación directa de la dinámica de carga difusiva, que puede estar involucrado en el establecimiento de la superconductividad en el plano. Crédito:Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory
Uno de los mayores misterios de la física de la materia condensada es la relación exacta entre el orden de carga y la superconductividad en los superconductores de cuprato. En superconductores, los electrones se mueven libremente a través del material; no hay resistencia cuando se enfría por debajo de su temperatura crítica. Sin embargo, los cupratos exhiben simultáneamente superconductividad y orden de carga en patrones de franjas alternas. Esto es paradójico en el sentido de que el orden de carga describe áreas de electrones confinados. ¿Cómo pueden coexistir la superconductividad y el orden de carga?
Ahora, investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, colaborando con científicos del Laboratorio Nacional Acelerador de SLAC, han arrojado nueva luz sobre cómo estos estados dispares pueden existir adyacentes entre sí. El investigador postdoctoral de Física de Illinois Matteo Mitrano, Profesor Peter Abbamonte, y su equipo aplicó una nueva técnica de dispersión de rayos X, Dispersión de rayos X suaves resonantes con resolución temporal, aprovechando el equipamiento de última generación de SLAC. Este método permitió a los científicos sondear la fase de orden de carga rayada con una resolución de energía sin precedentes. Esta es la primera vez que se hace a una escala energética relevante para la superconductividad.
Los científicos midieron las fluctuaciones del orden de carga en un superconductor prototípico de óxido de cobre, La 2-x Licenciado en Letras X CuO 4 (LBCO) y descubrió que las fluctuaciones tenían una energía que coincidía con la temperatura crítica superconductora del material, lo que implica que la superconductividad en este material, y por extrapolación, en los cupratos — puede estar mediada por fluctuaciones en el orden de carga.
Los investigadores demostraron además que, si el orden de carga se derrite, los electrones en el sistema reformarán las áreas rayadas del orden de carga en decenas de picosegundos. Como resulta, este proceso obedece a una ley de escala universal. Para comprender lo que estaban viendo en su experimento, Mitrano y Abbamonte se dirigieron al profesor de física de Illinois Nigel Goldenfeld y a su estudiante de posgrado Minhui Zhu, que fueron capaces de aplicar métodos teóricos tomados de la física de la materia condensada blanda para describir la formación de los patrones de rayas.
Estos hallazgos fueron publicados el 16 de agosto de 2019, en la revista en línea Avances de la ciencia .
Los cupratos tienen rayas
La importancia de este misterio puede entenderse en el contexto de la investigación en superconductores de alta temperatura (HTS), específicamente los cupratos, materiales en capas que contienen complejos de cobre. Los cupratos, algunos de los primeros HTS descubiertos, tienen temperaturas críticas significativamente más altas que los superconductores "ordinarios" (por ejemplo, los superconductores de aluminio y plomo tienen una temperatura crítica inferior a 10 K). En la década de 1980, LBCO, un cuprato, se encontró que tenía una temperatura crítica superconductora de 35 K (-396 ° F), un descubrimiento por el que Bednorz y Müller ganaron el Premio Nobel.
Ese descubrimiento precipitó una avalancha de investigaciones sobre los cupratos. A tiempo, Los científicos encontraron evidencia experimental de falta de homogeneidad en LBCO y materiales similares:fases aislantes y metálicas que coexistían. En 1998, Profesor de Física de Illinois Eduardo Fradkin, El profesor de Stanford Steven Kivelson, y otros propusieron que los aislantes Mott —materiales que deberían conducir según la teoría de bandas convencional pero que aíslan debido a la repulsión entre electrones— pueden albergar franjas de orden de carga y superconductividad. La 2 CuO 4 , el compuesto original de LBCO, es un ejemplo de aislante Mott. A medida que se agrega Ba a ese compuesto, reemplazando algunos átomos de La, Las franjas se forman debido a la organización espontánea de los huecos, las vacantes de electrones que actúan como cargas positivas.
Todavía, Quedaron otras preguntas sobre el comportamiento de las rayas. ¿Están inmóviles las áreas de carga? ¿Fluctúan?
"La creencia convencional es que si agregas estos agujeros dopados, agregan una fase estática que es mala para la superconductividad:congelas los agujeros, y el material no puede transportar electricidad, Mitrano comenta:"Si son dinámicos, si fluctúan, entonces hay formas en las que los agujeros podrían ayudar a la superconductividad de alta temperatura".
Sondando las fluctuaciones en LBCO
Para entender qué hacen exactamente las rayas, Mitrano y Abbamonte concibieron un experimento para fundir el orden de carga y observar el proceso de su reforma en LBCO. Mitrano y Abbamonte reinventaron una técnica de medición llamada dispersión de rayos X inelástica resonante, agregando un protocolo dependiente del tiempo para observar cómo se recupera el orden de carga durante una duración de 40 picosegundos. El equipo disparó un láser a la muestra de LBCO, impartiendo energía extra a los electrones para fundir el orden de carga e introducir homogeneidad electrónica.
"Utilizamos un nuevo tipo de espectrómetro desarrollado para fuentes ultrarrápidas, porque estamos haciendo experimentos en los que nuestros pulsos de láser son extremadamente cortos, "Explica Mitrano." Realizamos nuestras mediciones en la fuente de luz coherente Linac en SLAC, un buque insignia en este campo de investigación. Nuestras mediciones son dos órdenes de magnitud más sensibles en energía que lo que se puede hacer en cualquier otra instalación de dispersión convencional ".
Profesor Peter Abbamonte (medio, en jersey azul marino) y el investigador postdoctoral Matteo Mitrano (derecha, con camisa de vestir blanca) posan con su equipo en el Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC en Menlo Park, California. El equipo experimental utilizó una nueva técnica de investigación llamada dispersión de rayos X suaves resonantes de resolución temporal, para sondear la fase de orden de carga rayada en un superconductor de cuprato bien estudiado, con una resolución energética sin precedentes, encontrar que la superconductividad en cupratos puede estar mediada por fluctuaciones del orden de carga. Esta es la primera vez que se realiza un experimento de este tipo a una escala de energía relevante para la superconductividad. Crédito:SLAC
Abbamonte agrega, "Lo que es innovador aquí es el uso de la dispersión en el dominio del tiempo para estudiar las excitaciones colectivas en la escala de energía sub-meV. Esta técnica se demostró anteriormente para fonones. Aquí, hemos demostrado que se puede aplicar el mismo enfoque a las excitaciones en la banda de valencia ".
Indicios de un mecanismo de superconductividad
El primer resultado significativo de este experimento es que el orden de carga de hecho fluctúa, moviéndose con una energía que casi coincide con la energía establecida por la temperatura crítica de LBCO. Esto sugiere que el acoplamiento de Josephson puede ser crucial para la superconductividad.
La idea detrás del efecto Josephson, descubierto por Brian Josephson en 1962, es que se pueden conectar dos superconductores a través de un enlace débil, típicamente un aislante o un metal normal. En este tipo de sistema, los electrones superconductores pueden filtrarse desde los dos superconductores hacia el eslabón débil, generando en su interior una corriente de electrones superconductores.
El acoplamiento de Josephson proporciona una posible explicación para el acoplamiento entre la superconductividad y las regiones rayadas del orden de carga, donde las franjas fluctúan de tal manera que la superconductividad se filtra en las áreas de orden de carga, los eslabones débiles.
Obedecer las leyes de escala universal de la formación de patrones
Después de derretir el orden de carga, Mitrano y Abbamonte midieron la recuperación de las rayas a medida que iban evolucionando en el tiempo. A medida que la orden de acusación se acercaba a su total recuperación, siguió una dependencia temporal inesperada. Este resultado no se parecía en nada a lo que los investigadores habían encontrado en el pasado. ¿Qué podría explicar esto?
La respuesta está tomada del campo de la física de la materia condensada blanda, y más específicamente a partir de una teoría de la ley de escalado que Goldenfeld había desarrollado dos décadas antes para describir la formación de patrones en líquidos y polímeros. Goldenfeld y Zhu demostraron que las rayas en LBCO se recuperan según un universal, dinámica, ley de escalamiento auto-similar.
Goldenfeld explica:"A mediados de la década de 1990, los científicos tenían una comprensión de cómo los sistemas uniformes se acercan al equilibrio, pero ¿qué hay de los sistemas de bandas? Trabajé en esta pregunta hace unos 20 años, mirando los patrones que surgen cuando un fluido se calienta desde abajo, como los puntos hexagonales de circulación, motas blancas que surgen en sopa de miso caliente. En algunas circunstancias, estos sistemas forman franjas de fluido circulante, no manchas, análogo a los patrones de franjas de electrones en los superconductores de cuprato. Y cuando el patrón se está formando, sigue una ley de escala universal. Esto es exactamente lo que vemos en LBCO mientras reforma su orden de franjas de cargos ".
A través de sus cálculos, Goldenfeld y Zhu pudieron dilucidar el proceso de reforma de patrones dependiente del tiempo en el experimento de Mitrano y Abbamonte. Las franjas se reforman con una dependencia temporal logarítmica, un proceso muy lento. La adherencia a la ley de escalado en LBCO implica además que contiene defectos topológicos, o irregularidades en su estructura reticular. Este es el segundo resultado significativo de este experimento.
Zhu comenta, "Fue emocionante ser parte de esta investigación colaborativa, trabajar con físicos del estado sólido, pero aplicando técnicas de materia suave condensada para analizar un problema en un sistema fuertemente correlacionado, como superconductividad de alta temperatura. No solo aporté mis cálculos, pero también adquirí nuevos conocimientos de mis colegas con diferentes antecedentes, y de esta manera ganó nuevas perspectivas sobre problemas físicos, así como nuevas formas de pensamiento científico ".
En futuras investigaciones, Mitrano, Abbamonte, y Goldenfeld planean seguir investigando la física de las fluctuaciones del orden de carga con el objetivo de derretir completamente el orden de carga en LBCO para observar la física de la formación de franjas. También planean experimentos similares con otros cupratos, incluyendo compuestos de óxido de cobre ytrio, bario, mejor conocido como YBCO.
Goldenfeld ve este y los experimentos futuros como los que podrían catalizar nuevas investigaciones en HTS:"Lo que aprendimos en los 20 años transcurridos desde el trabajo de Eduardo Fradkin y Steven Kivelson sobre la modulación periódica de carga es que deberíamos pensar en el HTS como cristales líquidos electrónicos, ", afirma." Ahora estamos empezando a aplicar la física de la materia suave condensada de los cristales líquidos al HTS para comprender por qué existe la fase superconductora en estos materiales ".
