Físicos de tres continentes informan de la primera evidencia experimental para explicar el comportamiento electrónico inusual detrás del superconductor más delgado del mundo. un material con innumerables aplicaciones porque conduce la electricidad de manera extremadamente eficiente. En este caso, el superconductor tiene solo una capa atómica de espesor.

La obra, dirigido por un profesor del MIT y un físico del Laboratorio Nacional Brookhaven, fue posible gracias a la nueva instrumentación disponible en solo unas pocas instalaciones en el mundo. Los datos resultantes podrían ayudar a guiar el desarrollo de mejores superconductores. Estos, a su vez, podrían transformar los campos del diagnóstico médico, computación cuántica, y transporte de energía, que todos usan superconductores.

El tema del trabajo pertenece a una emocionante clase de superconductores que se vuelven superconductores a temperaturas un orden de magnitud más altas que sus contrapartes convencionales. haciéndolos más fáciles de usar en aplicaciones. Los superconductores convencionales solo funcionan a temperaturas de alrededor de 10 Kelvin, o -442 Fahrenheit.

Estos supuestos superconductores de alta temperatura, sin embargo, todavía no se entienden completamente. "Sus excitaciones y dinámicas microscópicas son esenciales para comprender la superconductividad, sin embargo, después de 30 años de investigación, muchas preguntas aún están muy abiertas, "dice Riccardo Comin, la clase de 1947 Profesor Asistente de Desarrollo de Carrera de Física en el MIT. El nuevo trabajo que se informa en el 25 de mayo, 2021 edición de Comunicaciones de la naturaleza , ayuda a responder esas preguntas.

El superconductor más delgado del mundo

En 2015, los científicos descubrieron un nuevo tipo de superconductor de alta temperatura:una hoja de seleniuro de hierro de solo una capa atómica de espesor capaz de superconducir a 65 Kelvin. A diferencia de, las muestras a granel del mismo material se superconducen a una temperatura mucho más baja (8 Kelvin). El descubrimiento "provocó una oleada de investigación para decodificar los secretos del superconductor más delgado del mundo, "dice Comin, quien también está afiliado al Laboratorio de Investigación de Materiales del MIT.

En un metal regular, los electrones se comportan de manera muy parecida a las personas individuales que bailan en una habitación. En un metal superconductor, los electrones se mueven en pares, como parejas en un baile. "Y todos estos pares se mueven al unísono, como si fueran parte de una coreografía cuántica, que en última instancia conduce a una especie de superfluido electrónico, "dice Comin.

Pero, ¿cuál es la interacción? o "pegamento, "que mantiene unidos estos pares de electrones? Los científicos saben desde hace mucho tiempo que en los superconductores convencionales, ese pegamento se deriva del movimiento de los átomos dentro de un material. "Si miras un sólido sentado en una mesa, no parece estar haciendo nada, "Dice Comin. Sin embargo, "Están sucediendo muchas cosas a nanoescala. Dentro de ese material, los electrones vuelan en todas las direcciones posibles y los átomos vibran, vibran". En superconductores convencionales, los electrones usan la energía almacenada en ese movimiento atómico para emparejarse.

El pegamento detrás del emparejamiento de electrones en superconductores de alta temperatura es diferente. Los científicos han teorizado que este pegamento está relacionado con una propiedad de los electrones llamada espín (otra, propiedad más familiar de los electrones es su carga). El giro se puede considerar como un imán elemental, dice Pelliciari. La idea es que en un superconductor de alta temperatura, los electrones pueden captar parte de la energía de estos giros, conocido como excitaciones de giro. Y esa energía es el pegamento que usan para emparejarse.

Hasta ahora, la mayoría de los físicos pensaban que sería imposible detectar o medir las excitaciones de espín en un material de solo una capa atómica de espesor. Ese es el logro notable del trabajo reportado en Comunicaciones de la naturaleza . Los físicos no solo detectaron excitaciones de espín, pero, entre otras cosas, también mostraron que la dinámica de espín en la muestra ultradelgada era dramáticamente diferente a la de la muestra a granel. Específicamente, la energía de los giros fluctuantes en la muestra ultradelgada era mucho más alta, en un factor de cuatro o cinco, que la energía de los giros en la muestra general.

"Esta es la primera evidencia experimental de la presencia de excitaciones de espín en un material atómicamente delgado, "dice Pelliciari.

Estado del equipo de arte

Históricamente, La dispersión de neutrones se ha utilizado para estudiar el magnetismo. Dado que el giro es la propiedad fundamental del magnetismo, La dispersión de neutrones parece ser una buena sonda experimental. "El problema es que la dispersión de neutrones no funciona en un material que tiene solo una capa atómica de espesor, "dice Pelliciari.

Introduzca la dispersión de rayos X inelástica resonante (RIXS), una nueva técnica experimental que Pelliciari ayudó a iniciar.

Él y Comin discutieron el potencial de usar RIXS para estudiar la dinámica de espín del nuevo superconductor ultradelgado, pero Comin se mostró inicialmente escéptico. "Pensé, 'sí, sería genial si pudiéramos hacer esto, pero experimentalmente será casi imposible, ", Recuerda Comin." Pensé que era un verdadero tiro a la luna ". Como resultado, "cuando Johnny recopiló los primeros resultados, fue alucinante para mí. Mantuve mis expectativas bajas así que cuando vi los datos, Salté sobre mi silla ".

Solo unas pocas instalaciones en el mundo cuentan con instrumentos RIXS avanzados. Uno, ubicado en Diamond Light Source (Reino Unido) y dirigido por el Dr. Zhou, es donde el equipo llevó a cabo su experimento. Otro, que todavía se estaba construyendo en el momento del experimento, está en el Laboratorio Nacional de Brookhaven. Pelliciari ahora es parte del equipo que dirige la instalación de RIXS, conocido como Beamline SIX, en el National Synchrotron Light Source II ubicado en Brookhaven Lab.

"El impacto de este trabajo es doble, "dice el Dr. Thorsten Schmitt, Jefe del Grupo de Espectroscopia de Materiales Nuevos del Paul Scherrer Institut en Suiza. Schmitt no participó en el trabajo. "En el lado experimental, es una demostración impresionante de la sensibilidad de RIXS a las excitaciones de espín en un material superconductor de solo una capa atómica de espesor. Es más, se espera que los [datos resultantes] contribuyan a la comprensión de la mejora de la temperatura de transición superconductora en superconductores tan delgados ". En otras palabras, el trabajo podría conducir a superconductores aún mejores.

Dice Valentina Bisogni, científico principal de Beamline SIX, "La comprensión de la superconductividad no convencional es uno de los principales desafíos que enfrentan los científicos en la actualidad. El reciente descubrimiento de la superconductividad de alta temperatura en una película delgada de monocapa de seleniuro de hierro renovó el interés en el sistema de seleniuro de hierro, ya que proporciona una nueva ruta para investigar los mecanismos que permiten la superconductividad a alta temperatura.

"En este contexto, el trabajo de Pelliciari et al. presenta un esclarecedor, estudio comparativo de seleniuro de hierro a granel y seleniuro de hierro de capa delgada que revela una reconfiguración dramática de las excitaciones de espín. ”Bisogni no participó en el trabajo de Pelliciari.