¿Por qué algunos materiales transportan corrientes eléctricas sin resistencia solo cuando se enfrían cerca del cero absoluto, mientras que otros lo hacen a temperaturas comparativamente altas? Esta pregunta clave sigue preocupando a los científicos que estudian el fenómeno de la superconductividad. Ahora, un equipo de investigadores del grupo de Andrea Cavalleri en el Instituto Max Planck para la Estructura y Dinámica de la Materia (MPSD) en Hamburgo ha proporcionado evidencia de que las "rayas" de electrones en ciertos compuestos a base de cobre pueden conducir a una ruptura en la simetría del cristal del material. , que persiste incluso en su estado superconductor. Su trabajo ha sido publicado en PNAS .

Centrándose en una variedad de cupratos, el equipo investigó la coexistencia y competencia de su estado superconductor con otras fases cuánticas. Se cree que tales interacciones son cruciales para el desarrollo de la superconductividad a alta temperatura, un proceso que sigue siendo uno de los problemas sin resolver más importantes en la física de la materia condensada en la actualidad.

Los investigadores expusieron varios cristales de cuprato, cultivados y caracterizados en los Laboratorios Nacionales de Brookhaven, a pulsos de luz láser ultracortos. Observaron cómo los materiales comenzaban a emitir un tipo particular de luz de terahercios (THz), una técnica conocida como espectroscopia de emisión de THz.

Por lo general, tales emisiones solo ocurren en presencia de un campo magnético o corriente polarizante. Sin embargo, el equipo de MPSD probó los cupratos sin aplicar ningún sesgo externo y descubrió una emisión de THz "anómala" en algunos de ellos. Esos compuestos presentaban el llamado orden de banda de carga, donde los electrones se organizan en patrones de cadena en lugar de moverse libremente. El orden de la franja de carga parece romper la simetría del cristal del material, tal como lo haría un campo magnético o una corriente aplicada, y esta ruptura de simetría persiste en el estado superconductor.

"Al realizar experimentos en varios compuestos", dice Daniele Nicoletti, autor principal del artículo, "nos sorprendió mucho encontrar una emisión de THz clara, coherente y casi de un solo color en algunos superconductores y, por el contrario, una falta total de respuesta en otros. pudieron asociar las características de emisión de THz con una certeza razonable con la presencia del orden de banda de carga, una fase ordenada peculiar que se encuentra en varias familias de cupratos, que se cree que juega un papel en el mecanismo subyacente a la superconductividad de alta temperatura. para causar una ruptura de simetría en el superconductor, cuya presencia no había sido encontrada por otras técnicas experimentales en el pasado".

En colaboración con físicos de la Universidad de Harvard, ETH Zurich y la división teórica del MPSD, el equipo ha proporcionado una explicación detallada de esta fenomenología. Partiendo de la observación de que la emisión coherente de THz se produce muy cerca de la "frecuencia de plasma de Josephson", que es la frecuencia de efecto túnel resonante de los pares de electrones superconductores a través de los planos cristalinos de cobre y oxígeno, los investigadores identificaron los llamados "plasmones de superficie de Josephson" como la fuente de emisión. Estos son análogos de las ondas de sonido que se desarrollan en la interfaz entre el superconductor y el entorno externo. En principio, estos son modos "silenciosos", lo que significa que no se acoplan directamente con la luz y, por lo tanto, no se espera que irradien. Sin embargo, es precisamente la presencia de la modulación de carga introducida por el orden de franjas lo que proporciona el acoplamiento necesario con el mundo exterior y permite que estos modos se enciendan.

El trabajo del equipo proporciona nuevos e importantes conocimientos sobre los procesos que conducen a la superconductividad a alta temperatura. También revela la emisión anómala coherente de THz como una herramienta sensible para probar la simetría de los superconductores en presencia de otras fases. Los investigadores creen que debería aplicarse a una clase más amplia de compuestos en el futuro, abriendo nuevas posibilidades para comprender la física de las interacciones complejas en estos materiales. + Explora más

Nuevos conocimientos sobre la superconductividad no convencional