En el campo de la superconductividad, la capacidad de un material para conducir electricidad con una resistencia prácticamente nula, los llamados superconductores de alta temperatura (HTSC) son posibles candidatos para una nueva generación de tecnologías avanzadas. Un subconjunto de estos, los "cupratos, "que son materiales cristalinos basados ​​en planos de óxido de cobre, son particularmente prometedoras. Pero los científicos aún necesitan aprender mucho más sobre estos materiales antes de que se generalicen, son posibles aplicaciones a temperatura ambiente. En la actualidad, incluso los superconductores de "alta temperatura" deben enfriarse a muy, temperaturas muy frías para los estándares diarios.

Trabajando en el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), Investigadores de Brookhaven y University College London descubrieron recientemente algo nuevo y muy sorprendente acerca de un tipo de arreglo de carga eléctrica periódica, que coexiste con la superconductividad en cupratos, conocida como onda de densidad de carga (CDW). Descubrieron que el orden específico de CDW dentro de su muestra se "recordaba" cuando la muestra se calentaba repetidamente más allá de la temperatura en la que desaparece el CDW. Este descubrimiento abre una nueva vía de investigación sobre cómo funcionan estos intrigantes materiales, acercando a los científicos un paso más a una imagen completa del comportamiento electrónico en cupratos.

"Sería como derretir una pila de cubitos de hielo y luego volver a congelarlos, y descubrir que se vuelven a congelar en una pila idéntica de cubos, incluso a nivel microscópico, "explicó el físico de Brookhaven Lab, Claudio Mazzoli, uno de los investigadores involucrados en el estudio. "Nadie esperaría ver eso".

Mazzoli y sus co-investigadores describen su trabajo en el 29 de marzo de Edición en línea de 2019 de Nature Communications.

El comportamiento electrónico de los cupratos, como con todos los HTSC, es bastante complejo. Como su nombre indica, los electrones que componen un CDW forman un patrón periódico de onda estacionaria. Se han observado CDW en casi todos los cupratos, pero su papel en la superconductividad aún no se comprende completamente. ¿Compiten con la superconductividad? ¿Participan en ella? ¿Impiden la superconductividad de ciertas maneras y posiblemente la agreguen en otras? Los científicos todavía están trabajando en esto.

"En los HTSC, cualquier disposición de electrones es de interés para los investigadores, "dijo el físico de Brookhaven Mark Dean, otro de los autores del artículo. "El objetivo es investigar estos arreglos y ajustarlos, o quizás eliminarlos, para que la temperatura de transición superconductora del material pueda acercarse, o tal vez superar, temperatura ambiente. Para hacer esto, debemos aprender todo lo que podamos sobre el comportamiento de los electrones y sus estructuras en los HTSC ".

Una cosa que los investigadores saben es que los cupratos que contienen los mismos planos de óxido de cobre, pero dispuestos de una manera ligeramente diferente, pueden tener CDW con propiedades dramáticamente diferentes. Parece, luego, que la parte de la red cristalina que aloja el CDW tiene un efecto sobre el CDW.

Aquí, el grupo se propuso aprender más sobre la relación entre la estructura de celosía del material y el comportamiento de CDW. Su sistema modelo era un cuprato conocido como LBCO por los compuestos que contiene:lantano, bario, cobre, y oxigeno. LBCO tiene una temperatura de transición:la temperatura por debajo de la cual muestra el CDW, y por encima del cual no lo hace, de 54 grados Kelvin (K) (aunque equivale a unos -360 grados Fahrenheit, esta temperatura todavía es relativamente alta en el mundo de los superconductores).

El grupo quería averiguar cómo las imperfecciones en la red cristalina de LBCO pueden estabilizar el CDW. Estaban interesados ​​en una conocida distorsión de celosía que se produce en el material:una inclinación en la forma octaédrica formada por átomos de cobre y oxígeno unidos. Esta inclinación tiende a anclar el CDW a la celosía de modo que se oriente en una determinada dirección; parece que el CDW puede ser sensible a las inhomogeneidades espaciales, o dominios, de la celosía. Esta relación entre el CDW y los dominios, como sugiere el comportamiento de la temperatura descubierto en este estudio, puede ser exclusivo de LBCO. Será muy importante comprender si esta es una característica general de los cupratos.

El grupo hizo un ciclo de su muestra de LBCO a través de un rango de temperaturas, calentándolo y enfriándolo repetidamente, mientras lo sondea con rayos X en la Fuente de luz sincrotrón nacional II de Brookhaven (NSLS-II), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. En la línea de luz Coherent Soft X-Ray Scattering (CSX), utilizaron una técnica conocida como difracción de rayos X resonante coherente, en el que los rayos X se dispersan desde diferentes dominios en la disposición espacial CDW, interferir entre sí, y forman un patrón de "moteado" que es capturado por una cámara especial. El análisis de este patrón proporciona información sobre las características del CDW.

Esta tarea:observar directamente un CDW mientras realiza un seguimiento de sus cambios, en un rango de temperaturas, colectivamente es muy desafiante, en gran parte debido a las distancias muy cortas que caracterizan las características de un CDW. NSLS-II es especialmente adecuado para este tipo de investigación debido a la naturaleza coherente de la luz que produce, lo que significa que las ondas de luz viajan al unísono en lugar de desincronizarse y mezclarse. Las fuentes de luz más antiguas no tienen haces tan coherentes.

El análisis de moteado reveló que el orden específico de CDW presente por debajo de 54 K regresó incluso cuando la muestra se sometió a ciclos repetidos a temperaturas mucho más altas. hasta aproximadamente 240 K (aproximadamente -28 ° F). Los investigadores piensan que los cambios estructurales que tienen lugar en el cristal por debajo de 240 K crean un "paisaje fijo" que ancla el CDW a la celosía.

"Nuestro trabajo abre una nueva ruta para estudiar la compleja interacción entre la carga y los grados de libertad de la red en los cupratos superconductores, "dijo el autor principal del artículo, Xiaoqian Chen, investigadora del Departamento de Física de la Materia Condensada y Ciencia de los Materiales de Brookhaven en el momento en que se realizó este estudio (ahora trabaja en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley). "También es una gran demostración de cómo NSLS-II se puede utilizar para estudiar las fases cuánticas de los materiales y su espectacularidad, propiedades inesperadas ".

"Este resultado enfatiza la importancia vital del papel de los dominios a nanoescala en la superconductividad de alta temperatura. Sin los efectos de fijación de dominios que se han observado, el CDW podría transportar corriente y alterar aún más la superconductividad, ", agregó el coautor Ian Robinson, físico en Brookhaven y en University College London. "La obtención de imágenes de estas sutiles estructuras de dominio de 'fase' está todavía en su infancia y este trabajo destaca la necesidad de desarrollar mejores técnicas de obtención de imágenes para que los detalles estructurales se puedan ver directamente".