Cuando hay varios procesos en marcha a la vez, es difícil establecer relaciones de causa y efecto. Este escenario es válido para una clase de superconductores de alta temperatura conocidos como cupratos. Descubiertos hace casi 35 años, estos compuestos de cobre y oxígenopueden 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 ? 280 grados Fahrenheit- 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.fenómenos que ocurren debido a fuertes interacciones entre electrones, lo que dificulta determinar de dónde proviene.
Es por eso que los físicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de los EE. UU. DOE que estudian un conocido cuprato que contiene capas hechas de óxido de bismuto, óxido de estroncio, calcio y óxido de cobre BSCCO decidieron centrarse en los menos complicados "sobredopados"lado, 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, lo que complica el panorama", explicó la primera autora Tonica Valla, física del Grupo de Espectroscopía Electrónica de Brookhaven Lab'sDivisión de Física de la Materia Condensada y Ciencia de los Materiales ". Pero estos fenómenos se debilitan o desaparecen por completo con el exceso, 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 correlacionauno a uno con superconductividad. La superconductividad surge exactamente cuando esta interacción aparece por primera vez y se vuelve más fuerte a medida que la interacción se fortalece ".
Solo muy recientemente se ha hecho posible sobredopar muestras de cuprato más allá del punto donde desaparece la superconductividad. Anteriormente, un cristal a granel del material se recocía calentaba en gas oxígeno a alta presión para aumentar la concentración de oxígeno el material dopanteEl 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.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 podemosllevar más oxígeno al cristal para crear más agujeros en los planos de óxido de cobre, donde se produce la superconductividad. En OASIS, podemos sobredopar 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 espectroscopía 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 yestudiado 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 prístinas son fundamentales para obtener mediciones precisas.
Para este estudio, el coautor Genda Gu, físico del Grupo de Dispersión de Neutrones de la división, cultivó cristales 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. La misma muestraluego 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 los electrones de una muestra y, al medir su energía y el ángulo en el que escapan, puede recrear la energía y el impulsode 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, perodesaparece 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 electrón-fonón, como se teorizaba para los superconductores convencionales. Según esta teoría, los fonones o vibraciones de los átomosen la red cristalina, sirven como una fuerza atractiva para los electrones repulsivos a través del intercambio de impulso y energía.
"Nuestro resultado nos permitió descartar el acoplamiento entre electrones y fonones 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.esperaría ver la torcedura tanto en el estado superconductor como en el normal, y la torcedura 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, se intercambia otra excitación entre electrones. Parece que los electrones interactúan a través de fluctuaciones de espín, que están relacionadas con los electrones mismos. SpinLas fluctuaciones son cambios en el espín de los electrones, o la forma en que los electrones apuntan hacia arriba o hacia abajo como pequeños imanes.
Además, los científicos encontraron 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 fluctuaciones de espín en lugar de la resonanciapico es responsable de la torcedura observada y puede ser el "pegamento" que une los electrones en los pares requeridos para HTS.
A continuación, 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 bien conocido, el 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".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Brookhaven . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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