Cuando hay varios procesos en marcha a la vez, establecer relaciones de causa y efecto es difícil. Este escenario es válido para una clase de superconductores de alta temperatura conocidos como cupratos. Descubierto hace casi 35 años, estos compuestos de cobre-oxígeno pueden conducir electricidad sin resistencia bajo ciertas condiciones. Deben ser modificados químicamente ("dopados") con átomos adicionales que introducen electrones o huecos (vacantes de electrones) en las capas de óxido de cobre y enfriados a temperaturas por debajo de 100 Kelvin, temperaturas significativamente más cálidas que las necesarias para los superconductores convencionales. Pero exactamente cómo los electrones superan su repulsión mutua y se emparejan para fluir libremente en estos materiales sigue siendo una de las preguntas más importantes en la física de la materia condensada. La superconductividad de alta temperatura (HTS) es uno de los muchos fenómenos que ocurren debido a las fuertes interacciones entre los electrones, lo que dificulta determinar de dónde proviene.

Es por eso que los físicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) que estudian un cuprato bien conocido que contiene capas hechas de óxido de bismuto, óxido de estroncio, calcio, y el óxido de cobre (BSCCO) decidió centrarse en el lado menos complicado "sobredopado", dopando tanto el material que la superconductividad finalmente desaparece. Como informaron en un artículo publicado el 29 de enero en Comunicaciones de la naturaleza , este enfoque les permitió identificar que las interacciones puramente electrónicas probablemente conduzcan a HTS.

"La superconductividad en los cupratos suele coexistir con arreglos periódicos de carga eléctrica o espín y muchos otros fenómenos que pueden competir con la superconductividad o ayudarla, complicando el cuadro, "explicó la primera autora Tonica Valla, físico del Grupo de Espectroscopía Electrónica de la División de Física de la Materia Condensada y Ciencia de Materiales del Laboratorio Brookhaven. "Pero estos fenómenos se debilitan o desaparecen por completo con la sobredopación, dejando nada más que superconductividad. Por lo tanto, esta es la región perfecta para estudiar el origen de la superconductividad. Nuestros experimentos han descubierto una interacción entre electrones en BSCCO que se correlaciona uno a uno con la superconductividad. La superconductividad surge exactamente cuando esta interacción aparece por primera vez y se vuelve más fuerte a medida que la interacción se fortalece ".

Sólo muy recientemente ha sido posible sobredopar muestras de cuprato más allá del punto en el que la superconductividad desaparece. Previamente, un cristal a granel del material sería recocido (calentado) en gas oxígeno a alta presión para aumentar la concentración de oxígeno (el material dopante). El nuevo método, que Valla y otros científicos de Brookhaven demostraron por primera vez hace aproximadamente un año en OASIS, un nuevo instrumento in situ para la preparación y caracterización de muestras:utiliza ozono en lugar de oxígeno para recocer las muestras escindidas. Cortar se refiere a romper el cristal al vacío para crear superficies perfectamente planas y limpias.

"El poder de oxidación del ozono, o su capacidad para aceptar electrones, es mucho más fuerte que el del oxígeno molecular, "explicó el coautor Ilya Drozdov, físico del Grupo de Epitaxia de Rayos Moleculares de Óxidos (OMBE) de la división. "Esto significa que podemos llevar más oxígeno al cristal para crear más agujeros en los planos de óxido de cobre, donde ocurre la superconductividad. En OASIS, podemos sobrecargar las capas superficiales del material hasta la región no superconductora y estudiar las excitaciones electrónicas resultantes ".

OASIS combina un sistema OMBE para el crecimiento de películas delgadas de óxido con instrumentos de espectroscopia de fotoemisión resuelta en ángulo (ARPES) y microscopía de túnel de exploración de imágenes espectroscópicas (SI-STM) para estudiar la estructura electrónica de estas películas. Aquí, los materiales se pueden cultivar y estudiar utilizando el mismo sistema de vacío ultra alto conectado para evitar la oxidación y la contaminación por dióxido de carbono, agua, y otras moléculas en la atmósfera. Debido a que ARPES y SI-STM son técnicas extremadamente sensibles a la superficie, Las superficies impecables son fundamentales para obtener mediciones precisas.

Para este estudio, coautora Genda Gu, un físico en el Grupo de Dispersión de Neutrones de la división, crecieron cristales de BSCCO a granel. Drozdov recoció los cristales escindidos en ozono en la cámara OMBE en OASIS para aumentar el dopaje hasta que la superconductividad se perdió por completo. A continuación, la misma muestra se recoció al vacío para reducir gradualmente el dopaje y aumentar la temperatura de transición a la que emerge la superconductividad. Valla analizó la estructura electrónica de BSCCO a través de este diagrama de fase de temperatura de dopaje a través de ARPES.

"ARPES le brinda la imagen más directa de la estructura electrónica de cualquier material, "dijo Valla." La luz excita electrones de una muestra, y midiendo su energía y el ángulo en el que escapan, puedes recrear la energía y el impulso de los electrones mientras todavía estaban en el cristal ".

Al medir esta relación energía-impulso, Valla detectó una torcedura (anomalía) en la estructura electrónica que sigue a la temperatura de transición superconductora. La torcedura se vuelve más pronunciada y cambia a energías más altas a medida que esta temperatura aumenta y la superconductividad se vuelve más fuerte. pero desaparece fuera del estado superconductor. Sobre la base de esta información, sabía que la interacción que creaba los pares de electrones necesarios para la superconductividad no podía ser un acoplamiento entre electrones y fonones, como se teorizó para los superconductores convencionales. Bajo esta teoría, fonones, o vibraciones de átomos en la red cristalina, sirven como una fuerza atractiva para electrones repulsivos a través del intercambio de impulso y energía.

"Nuestro resultado nos permitió descartar el acoplamiento electrón-fonón porque los átomos en la red pueden vibrar y los electrones pueden interactuar con esas vibraciones," independientemente de si el material es superconductor o no, "dijo Valla." Si hay fonones involucrados, esperaríamos ver la torcedura tanto en el estado superconductor como en el normal, y el problema no cambiaría con el dopaje ".

El equipo cree que en este caso está ocurriendo algo similar al acoplamiento electrón-fonón, pero en lugar de fonones, otra excitación se intercambia entre electrones. Parece que los electrones están interactuando a través de fluctuaciones de espín, que están relacionados con los propios electrones. Las fluctuaciones de espín son cambios en el espín del electrón, o la forma en que los electrones apuntan hacia arriba o hacia abajo como pequeños imanes.

Es más, los científicos descubrieron que la energía de la torsión es menor que la de una energía característica en la que aparece un pico agudo (resonancia) en el espectro de fluctuación de espín. Su hallazgo sugiere que el inicio de las fluctuaciones de espín (en lugar del pico de resonancia) es responsable de la torsión observada y puede ser el "pegamento" que une los electrones en los pares requeridos para HTS.

Próximo, el equipo planea recopilar evidencia adicional que muestre que las fluctuaciones de espín están relacionadas con la superconductividad mediante la obtención de mediciones SI-STM. También realizarán experimentos similares con otro cuprato conocido, óxido de cobre, estroncio y lantano (LSCO).

"Por primera vez, estamos viendo algo que se correlaciona fuertemente con la superconductividad, dijo Valla. Después de todos estos años, ahora tenemos una mejor comprensión de lo que puede estar causando la superconductividad no solo en BSCCO sino también en otros cupratos ".