Una ilustración muestra una atracción inesperadamente fuerte entre electrones en sitios de celosía vecinos dentro de una cadena 1D de óxido de cobre, o cuprato:un material que conduce corriente eléctrica sin pérdida a temperaturas relativamente altas. Un estudio dirigido por Stanford, SLAC y Clemson descubrieron esta atracción del "vecino más cercano" inusualmente fuerte en una cadena de cuprato 1D que había sido "dopada" para aumentar la densidad de sus electrones libres. Dijeron que la fuerza inesperada de las atracciones puede resultar de interacciones con vibraciones naturales en la red atómica del material, que puede desempeñar un papel en la superconductividad de cuprato. Crédito:SCI-HUA
Cuando los científicos estudian superconductores no convencionales, materiales complejos que conducen electricidad sin pérdida a temperaturas relativamente altas, a menudo se basan en modelos simplificados para comprender lo que está sucediendo.
Los investigadores saben que estos materiales cuánticos obtienen sus habilidades de los electrones que unen sus fuerzas para formar una especie de sopa de electrones. Pero modelar este proceso en toda su complejidad requeriría mucho más tiempo y poder de cómputo de lo que cualquiera pueda imaginar tener hoy. Entonces, para comprender una clase clave de superconductores no convencionales:los óxidos de cobre, o cupratos:los investigadores crearon por simplicidad, un modelo teórico en el que el material existe en una sola dimensión, como una cadena de átomos. Hicieron estos cupratos unidimensionales en el laboratorio y descubrieron que su comportamiento coincidía bastante bien con la teoría.
Desafortunadamente, estas cadenas atómicas 1D carecían de una cosa:no podían doparse, un proceso en el que algunos átomos son reemplazados por otros para cambiar la cantidad de electrones que están libres para moverse. El dopaje es uno de varios factores que los científicos pueden ajustar para modificar el comportamiento de materiales como estos, y es una parte fundamental para lograr que se superconduzcan.
Ahora, un estudio dirigido por científicos del Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía y las universidades de Stanford y Clemson ha sintetizado el primer material de cuprato 1D que puede doparse. Su análisis del material dopado sugiere que el modelo propuesto más prominente de cómo los cupratos logran la superconductividad carece de un ingrediente clave:una atracción inesperadamente fuerte entre electrones vecinos en la estructura atómica del material. o celosía. Esa atracción ellos dijeron, puede ser el resultado de interacciones con vibraciones de celosía natural.
El equipo informó hoy sus hallazgos en Ciencias .
"La incapacidad de dopar de manera controlada sistemas de cuprato unidimensionales ha sido una barrera importante para comprender estos materiales durante más de dos décadas, "dijo Zhi-Xun Shen, profesor e investigador de Stanford del Instituto de Ciencias de los Materiales y la Energía de Stanford (SIMES) en SLAC.
"Ahora que lo hemos hecho, " él dijo, "Nuestros experimentos muestran que nuestro modelo actual pasa por alto un fenómeno muy importante que está presente en el material real".
Una ilustración de óxido de cobre 1D, o cuprato, cadenas que han sido "dopadas" para liberar algunos de sus electrones en un estudio dirigido por investigadores del SLAC National Accelerator Laboratory y las universidades de Stanford y Clemson. Los átomos de cobre son negros y los de oxígeno púrpuras. Los manantiales rojos representan vibraciones naturales que sacuden la red atómica, lo que puede ayudar a producir una atracción inesperadamente fuerte (no mostrada) entre electrones vecinos en la red. Esta atracción del "vecino más cercano" puede desempeñar un papel en la superconductividad no convencional:la capacidad de conducir corriente eléctrica sin pérdida a temperaturas relativamente altas. Crédito:Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory
Zhuoyu Chen, un investigador postdoctoral en el laboratorio de Shen que dirigió la parte experimental del estudio, dijo que la investigación fue posible gracias a un sistema que el equipo desarrolló para hacer cadenas 1D incrustadas en un material 3D y moverlas directamente a una cámara en la fuente de luz de radiación sincrotrón de Stanford (SSRL) de SLAC para su análisis con un potente haz de rayos X.
"Es una configuración única, " él dijo, "e indispensable para lograr los datos de alta calidad que necesitábamos para ver estos efectos tan sutiles".
De rejillas a cadenas, En teoria
El modelo predominante utilizado para simular estos materiales complejos se conoce como modelo de Hubbard. En su versión 2D, se basa en un piso, rejilla uniformemente espaciada de los átomos más simples posibles.
Pero esta cuadrícula 2D básica ya es demasiado complicada para que la manejen las computadoras y los algoritmos actuales, dijo Thomas Devereaux, un profesor de SLAC y Stanford e investigador del SIMES que supervisó la parte teórica de este trabajo. No existe una forma bien aceptada de asegurarse de que los cálculos del modelo para las propiedades físicas del material sean correctos, por lo que si no coinciden con los resultados experimentales, es imposible saber si los cálculos o el modelo teórico salieron mal.
Para solucionar ese problema, Los científicos han aplicado el modelo de Hubbard a cadenas 1D de la red de cuprato más simple posible:una cadena de átomos de cobre y oxígeno. Esta versión 1D del modelo puede calcular y capturar con precisión el comportamiento colectivo de los electrones en materiales hechos de cadenas 1D sin dopar. Pero hasta ahora no ha habido una forma de probar la precisión de sus predicciones para las versiones dopadas de las cadenas porque nadie pudo hacerlas en el laboratorio, a pesar de más de dos décadas de intentarlo.
"Nuestro mayor logro fue sintetizar estas cadenas dopadas, ", Dijo Chen." Pudimos doparlos en un rango muy amplio y obtener datos sistemáticos para precisar lo que estábamos observando ".
Investigadores de SLAC, Stanford y Clemson utilizaron una técnica llamada espectroscopia de fotoemisión resuelta en ángulo (ARPES), mostrado aquí, para expulsar electrones de cadenas de óxido de cobre 1D dopadas y medir su dirección y energía. Esto les dio una imagen detallada y sensible de cómo se comportan los electrones en el material. El trabajo se realizó en una línea de luz especialmente diseñada en la fuente de luz de radiación sincrotrón de Stanford (SSRL) de SLAC. Crédito:Zhuoyu Chen / Universidad de Stanford
Una capa atómica a la vez
Para hacer las cadenas 1D dopadas, Chen y sus colegas rociaron una película de un material de cuprato conocido como óxido de bario, estroncio y cobre (BSCO), solo unas pocas capas atómicas de espesor, sobre una superficie de apoyo dentro de una cámara sellada en la línea de luz SSRL especialmente diseñada. La forma de las celosías en la película y en la superficie se alineó de una manera que creó cadenas 1D de cobre y oxígeno incrustadas en el material 3D BSCO.
Doparon las cadenas exponiéndolas al ozono y al calor, que agregaron átomos de oxígeno a sus redes atómicas, Chen dijo. Cada átomo de oxígeno sacó un electrón de la cadena, y esos electrones liberados se vuelven más móviles. Cuando millones de estos electrones que fluyen libremente se juntan, pueden crear el estado colectivo que es la base de la superconductividad.
A continuación, los investigadores transportaron sus cadenas a otra parte de la línea de luz para su análisis con espectroscopía de fotoemisión resuelta en ángulo, o ARPES. Esta técnica expulsó electrones de las cadenas y midió su dirección y energía, dando a los científicos una imagen detallada y sensible de cómo se comportan los electrones en el material.
Atracciones sorprendentemente fuertes
Su análisis mostró que en el material 1D dopado, La atracción de los electrones hacia sus contrapartes en los sitios de celosía vecinos es 10 veces más fuerte de lo que predice el modelo de Hubbard. dijo Yao Wang, un profesor asistente en la Universidad de Clemson que trabajó en el lado teórico del estudio.
El equipo de investigación sugirió que este alto nivel de atracción del "vecino más cercano" puede provenir de interacciones con fonones, vibraciones naturales que sacuden el entramado atómico. Se sabe que los fonones juegan un papel en la superconductividad convencional, y hay indicios de que también podrían estar involucrados de una manera diferente en la superconductividad no convencional que ocurre a temperaturas mucho más cálidas en materiales como los cupratos, aunque eso no ha sido probado definitivamente.
Los científicos dijeron que es probable que esta fuerte atracción del vecino más cercano entre los electrones exista en todos los cupratos y podría ayudar a comprender la superconductividad en las versiones 2D del modelo de Hubbard y sus parientes. dando a los científicos una imagen más completa de estos materiales desconcertantes.
