Un equipo internacional liderado por científicos del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía y la Universidad de Stanford ha detectado nuevas características en el comportamiento electrónico de un material de óxido de cobre que pueden ayudar a explicar por qué se convierte en un conductor eléctrico perfecto, un superconductor.a temperaturas relativamente altas.
Usando un instrumento de rayos X de ultra alta resolución en Francia, los investigadores vieron por primera vez comportamientos dinámicos en la onda de densidad de carga CDW del material, un patrón de electrones que se asemeja a una onda estacionaria, que prestan apoyo a laidea de que estas ondas pueden desempeñar un papel en la superconductividad de alta temperatura.
Los datos tomados a temperaturas bajas 20 kelvins y altas 240 kelvins mostraron que a medida que aumentaba la temperatura, el CDW se alineaba más con la estructura atómica del material. Sorprendentemente, a la temperatura más baja, el CDW también indujo un aumento inusual enla intensidad de las vibraciones de la red atómica del óxido, lo que indica que los comportamientos dinámicos de CDW pueden propagarse a través de la red.
"Investigaciones anteriores han demostrado que cuando el CDW es estático, compite con la superconductividad y la disminuye", dijo el coautor Wei-Sheng Lee, científico del personal de SLAC e investigador del Instituto de Ciencias de los Materiales y la Energía de Stanford SIMES,que lideró el estudio publicado el 12 de junio en Física de la naturaleza . "Si, por otro lado, el CDW no es estático sino fluctuante, la teoría nos dice que en realidad pueden ayudar a formar superconductividad".
Una búsqueda de una explicación durante décadas
El nuevo resultado es el último en una búsqueda de décadas por parte de investigadores de todo el mundo de los factores que permiten que ciertos materiales se conviertan en superconductores a temperaturas relativamente altas.
Desde la década de 1950, los científicos han sabido cómo ciertos metales y aleaciones simples se vuelven superconductores cuando se enfrían a unos pocos grados del cero absoluto: sus electrones se emparejan y recorren ondas de vibraciones atómicas que actúan como un pegamento virtual para mantener unidos los pares.Sin embargo, por encima de cierta temperatura, el pegamento falla a medida que aumentan las vibraciones térmicas, los pares de electrones se dividen y la superconductividad desaparece.
En 1986, se descubrió que los materiales complejos de óxido de cobre se volvían superconductores a temperaturas mucho más altas, aunque todavía bastante frías. Este descubrimiento fue tan inesperado que causó sensación científica mundial. Al comprender y optimizar el funcionamiento de estos materiales, los investigadores esperanpara desarrollar superconductores que funcionen a temperatura ambiente y superiores.
Al principio, el pegamento más probable que mantenga unidos los pares de electrones superconductores a temperaturas más altas parecían ser fuertes excitaciones magnéticas creadas por interacciones entre espines de electrones. Pero en 2014, una simulación teórica y experimentos dirigidos por investigadores de SIMES concluyeron que estos elementos magnéticos de alta energíalas interacciones no son el único factor en la superconductividad de alta temperatura del óxido de cobre. Un CDW inesperado también pareció ser importante.
Los últimos resultados continúan la colaboración de SIMES entre el experimento y la teoría. Sobre la base de las teorías anteriores de cómo las interacciones de los electrones con las vibraciones de la red se pueden probar con la dispersión de rayos X inelástica resonante, o RIXS, finalmente se identificó la firma de la dinámica CDW, proporcionandoapoyo para el papel del CDW en la determinación de la estructura electrónica en óxidos de cobre superconductores
La nueva herramienta esencial: RIXS
Los nuevos resultados están habilitados por el desarrollo de instrumentos más capaces que emplean RIXS. Ahora disponible en resolución ultra alta en la Instalación Europea de Radiación Sincrotrón ESRF en Francia, donde el equipo realizó este experimento, RIXS también será una característica importante de SLACFuente de luz coherente Linac mejorada, láser de electrones libres de rayos X, LCLS-II. La combinación de resolución de energía ultra alta y una alta tasa de repetición de pulsos en LCLS-II permitirá a los investigadores ver fluctuaciones CDW más detalladas y realizar experimentos destinados a revelar detalles adicionalesde su comportamiento y vínculos con la superconductividad de alta temperatura. Lo más importante es que los investigadores de LCLS-II podrán utilizar interacciones ultrarrápidas luz-materia para controlar las fluctuaciones de CDW y luego tomar instantáneas de ellas en una escala de tiempo de femtosegundos.
RIXS implica iluminar una muestra con rayos X que tienen la energía suficiente para excitar algunos electrones en lo profundo de los átomos objetivo para saltar a una órbita más alta específica. Cuando los electrones se relajan y vuelven a sus posiciones anteriores, una pequeña fracción de ellosemiten rayos X que transportan información valiosa a escala atómica sobre la configuración electrónica y magnética del material que se cree que es importante en la superconductividad de alta temperatura.
"Hasta la fecha, ninguna otra técnica ha visto evidencia de propagación de la dinámica de CDW", dijo Lee.
RIXS se demostró por primera vez a mediados de la década de 1970, pero no pudo obtener información útil para abordar problemas clave hasta 2007, cuando Giacomo Ghiringhelli, Lucio Braicovich del Politécnico de Milán en Italia y sus colegas de Swiss Light Source hicieron un cambio fundamental que mejoró suresolución de energía a un nivel en el que se hicieron visibles detalles significativos, técnicamente hablando a aproximadamente 120 milielectronvoltios meV en la longitud de onda de rayos X relevante, que se llama borde de cobre en L. El nuevo instrumento RIXS en ESRF es tres veces mejor,alcanzando rutinariamente una resolución de energía de hasta 40 meV. Desde 2014, el grupo de Milán ha colaborado con científicos de SLAC y Stanford en su investigación RIXS.
"El nuevo RIXS de ultra alta resolución hace una gran diferencia", dijo Lee. "Puede mostrarnos detalles previamente invisibles".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC . Original escrito por Mike Ross. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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