Los superconductores de alta temperatura son una clase de materiales que pueden conducir electricidad con una resistencia casi nula a temperaturas que son relativamente altas en comparación con sus contrapartes estándar. que debe enfriarse hasta casi el cero absoluto, la temperatura más fría posible. Los materiales de alta temperatura son emocionantes porque tienen la posibilidad de revolucionar la vida moderna, como facilitando la transmisión de energía ultraeficiente o siendo utilizado para crear computadoras cuánticas de vanguardia.

Un grupo particular de superconductores de alta temperatura, los cupratos, ha sido estudiado durante 30 años, sin embargo, los científicos aún no pueden explicar completamente cómo funcionan:¿Qué sucede dentro de un cuprato "típico"?

Reunir una imagen completa de su comportamiento electrónico es vital para diseñar el 'santo grial' de los cupratos:un versátil, material robusto que puede superconducir a temperatura ambiente y presión ambiental.

Con ese fin, un grupo de investigación dirigido por científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) descubrió recientemente nueva información sobre el comportamiento electrónico de un cuprato en particular utilizando una técnica de rayos X que, hasta ahora, no se había utilizado ampliamente para estudiarlos. Trabajando en parte en Brookhaven Lab's National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, los investigadores utilizaron una forma de dispersión de rayos X para investigar una disposición específica de carga eléctrica que surge en cupratos:un patrón ordenado de electrones conocido como onda de densidad de carga (CDW).

La técnica de rayos X, dispersión de rayos X inelástica resonante (RIXS), puede abrir nuevas e intrigantes vías de investigación sobre estos materiales. Los resultados de esta investigación se publican en la edición en línea del 21 de mayo de Cartas de revisión física .

CDW en los cupratos

Un CDW se puede visualizar como un patrón de onda estacionaria de electrones. Los CDW surgen en orden, materiales cristalinos, como los cupratos, que se componen de capas alternas de óxido de cobre y un aislante (normalmente otro óxido). Los planos aislantes sirven como depósitos de carga que alimentan las capas de óxido de cobre donde tiene lugar la superconductividad.

Se sospecha desde hace mucho tiempo que los CDW desempeñan un papel vital en la forma en que los cupratos se superconducen, pero caracterizando a uno:cómo emerge y desaparece, cómo se comporta, cómo aumenta o impide la superconductividad, es un desafío continuo para los científicos.

En NSLS-II y Diamond Light Source del Reino Unido, el grupo estudió un cuprato compuesto de lantano, cobre, y oxígeno "dopado" con pequeñas cantidades de estroncio (denominado LSCO). El dopaje es una técnica en la que se agregan pequeñas cantidades de una sustancia impureza a un compuesto para alterar o mejorar su capacidad eléctrica. óptico, o propiedades estructurales.

El grupo creó cuatro muestras de LSCO con cuatro niveles de dopaje diferentes. Los niveles de dopaje cubren una gama de comportamientos electrónicos en los que el CDW es más fuerte y luego desaparece. Esta gama también cubre una transición en la estructura electrónica de LSCO:la "superficie Fermi, "que es una capa tridimensional teórica que separa los orbitales de electrones llenos y vacíos (el volumen alrededor de un núcleo donde es más probable que estén los electrones particulares) cuando el material tiene una temperatura de cero absoluto. Las superficies de Fermi son abstractas, pero son muy importantes, a menudo predice el comportamiento electrónico de un material, así como muchas otras propiedades.

Una nueva forma de estudiar los CDW de cuprato

En RIXS, la energía de los fotones de rayos X incidentes se transfiere a los electrones a nivel del núcleo en una muestra cristalina, "excitándolos" en la banda de conducción. Las vacantes dejadas por los electrones del núcleo se llenan con electrones de banda de valencia, que emiten un fotón al dar el salto a la banda de menor energía. Esos fotones emitidos forman un espectro de energías que se pueden analizar para obtener información sobre las excitaciones y el comportamiento electrónico general del material.

En NSLS-II, el trabajo se realizó en la línea de luz Soft Inelastic X-Ray (SIX), que ofrece RIXS de resolución de energía ultra alta. La técnica tiene una mayor sensibilidad a las excitaciones tanto de los electrones de valencia como de los fonones, las vibraciones colectivas de la red atómica. Un CDW se puede asociar con estas excitaciones.

"El descubrimiento reciente de que los efectos CDW se entrelazan en espectros RIXS de cuprato ha sido emocionante para los investigadores en este campo, ya que contiene la tentadora promesa de que podemos aclarar las interacciones que dan lugar a los TDI, "dijo Mark Dean, un físico del Departamento de Física de la Materia Condensada y Ciencia de los Materiales de Brookhaven, quien dirigió el estudio junto con Xuerong Liu de la Universidad Tecnológica de Shanghai y Valentina Bisogni de NSLS-II.

Dean y sus colegas descubrieron que los espectros RIXS se mantienen prácticamente sin cambios en todos los niveles de dopaje, a pesar de atravesar la transición de Fermi. Esto indica que los espectros no están relacionados con excitaciones cerca de la superficie de Fermi. Pero aprender más de los espectros RIXS, es decir, aislar e interpretar los posibles efectos de un CDW es un desafío.

"Los CDW inevitablemente modifican la red cristalina del anfitrión y, por lo tanto, los fonones, ", dijo Bisogni." Lo que complica aún más las cosas es el hecho de que existen diferentes enfoques para interpretar los datos RIXS ".

A través de riguroso, análisis cuidadoso, el equipo de investigación concluyó que los espectros RIXS tienen poca o ninguna relación directa con las excitaciones electrónicas. En lugar de, se ven más afectados por el comportamiento de los fonones, incluyendo un "ablandamiento" de los fonones — una reducción en la frecuencia — inducida por el CDW y cambios en la intensidad de los fonones.

"La resolución de energía récord mundial lograda recientemente en la línea de luz SIX fue crucial para esta investigación, permitiéndonos resolver e identificar las diferentes aportaciones presentes en los datos de RIXS, "dijo Dean.

El grupo afirma que sus resultados apoyan un escenario en el que el CDW es impulsado por "correlaciones fuertes" entre electrones, un término utilizado para describir comportamientos electrónicos no bien entendidos en materiales, y agrega apoyo a la idea de que la respuesta RIXS en el los cupratos son impulsados ​​por la forma en que el CDW modifica la red cristalina, y cómo esas modificaciones provocan interacciones más complejas.

"Gracias a la actuación de SIX, pudimos colocar una nueva pieza en el rompecabezas que es la física de los superconductores de cuprato, ", dijo Bisogni." Después de todo el trabajo para construir la línea de luz, oficial, y optimizado, Es genial ver que la ciencia de alto impacto surja de ese esfuerzo. Esperamos que esta publicación sea la primera de muchas publicaciones colaborativas de este tipo ".

En el trabajo futuro, el mismo equipo espera estudiar estos sistemas con una resolución de energía aún mayor para revelar detalles de los modos vibratorios de energía más baja de la red.