Los científicos del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC utilizaron una técnica de rayos X mejorada para explorar estados exóticos de la materia en un superconductor no convencional que conduce la electricidad con una eficiencia del 100 % a temperaturas relativamente altas. Vislumbraron la firma de un estado conocido como ondas de densidad de pares (PDW) y confirmaron que se entrelaza con otra fase conocida como rayas de ondas de densidad de carga (CDW), patrones en forma de onda de mayor y menor densidad de electrones en el material. Los CDW, a su vez, se crean cuando las ondas de densidad de espín (SDW) emergen y se entrelazan. Crédito: Jun-Sik Lee/SLAC Laboratorio Nacional de Aceleradores
Conocido como "ondas de densidad de pares", puede ser clave para comprender cómo puede existir la superconductividad a temperaturas relativamente altas.
Los superconductores no convencionales contienen una serie de fases exóticas de la materia que se cree que desempeñan un papel, para bien o para mal, en su capacidad para conducir electricidad con un 100 % de eficiencia a temperaturas mucho más altas de lo que los científicos creían posibles, aunque todavía muy por debajo de las temperaturas. eso permitiría su amplio despliegue en líneas eléctricas perfectamente eficientes, trenes de levitación magnética, etc.
Ahora, los científicos del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía han vislumbrado la firma de una de esas fases, conocida como ondas de densidad de pares o PDW, y confirmaron que está entrelazada con otra fase conocida como franjas de ondas de densidad de carga (CDW): patrones en forma de onda. de mayor y menor densidad de electrones en el material.
Observar y comprender la PDW y sus correlaciones con otras fases puede ser esencial para comprender cómo surge la superconductividad en estos materiales, lo que permite que los electrones se emparejen y viajen sin resistencia, dijo Jun-Sik Lee, científico del personal de SLAC que dirigió la investigación en el laboratorio. Fuente de luz de radiación de sincrotrón de Stanford (SSRL).
Incluso la evidencia indirecta de la fase PDW entrelazada con las franjas de carga, dijo, es un paso importante en el largo camino hacia la comprensión del mecanismo detrás de la superconductividad no convencional, que ha eludido a los científicos durante más de 30 años de investigación.
Lee agregó que el método que usó su equipo para hacer esta observación, que implicó aumentar drásticamente la sensibilidad de una técnica de rayos X estándar conocida como dispersión suave de rayos X resonante (RSXS) para que pudiera ver las señales extremadamente débiles emitidas por estos fenómenos , tiene potencial para observar directamente tanto la firma PDW como sus correlaciones con otras fases en experimentos futuros. Eso es en lo que planean trabajar a continuación.
Los científicos describieron sus hallazgos en un artículo publicado en Physical Review Letters.
Desenredando los secretos de los superconductores
La existencia de la fase PDW en los superconductores de alta temperatura se propuso hace más de una década y se ha convertido en un área de investigación emocionante, con teóricos que desarrollan modelos para explicar cómo funciona y experimentadores que la buscan en una variedad de materiales.
En este estudio, los investigadores lo buscaron en un óxido de cobre o cuprato, material conocido como LSCFO por los elementos que contiene: lantano, estroncio, cobre, hierro y oxígeno. Se cree que alberga otras dos fases que pueden entrelazarse con PDW: franjas de ondas de densidad de carga y franjas de ondas de densidad de espín.
La naturaleza y el comportamiento de las rayas de carga y espín se han explorado en una serie de estudios, pero solo se han visto unos pocos atisbos indirectos de PDW, muy parecidos a identificar un animal a partir de sus huellas, y ninguno se hizo con técnicas de dispersión de rayos X. Debido a que la dispersión de rayos X revela el comportamiento de una muestra completa a la vez, se cree que es la forma más prometedora de aclarar si existe PDW y cómo se relaciona con otras fases clave en los cupratos, dijo Lee.
En los últimos años, el equipo de SSRL ha trabajado para aumentar la sensibilidad de RSXS para que pueda capturar las señales que estaban buscando.
El investigador postdoctoral Hai Huang y el ingeniero del personal de SLAC Sang-Jun Lee utilizaron la técnica mejorada en este estudio. Dispersaron rayos X de LSCFO y en un detector, formando patrones que revelaron lo que estaba sucediendo dentro del material. A medida que bajaban la temperatura del material hacia su rango superconductor, aparecían franjas de espín y se entrelazaban para formar franjas de carga, y esas franjas de carga se asociaban luego con la aparición de fluctuaciones bidimensionales que son el sello distintivo de PDW.
Los investigadores dijeron que estos resultados no solo demuestran el valor del nuevo enfoque RSXS, sino que también respaldan la posibilidad de que el PDW esté presente no solo en este material, sino en todos los cupratos superconductores.
Referencia: "Fluctuaciones superconductoras bidimensionales asociadas con rayas de onda de densidad de carga en La1.87Sr0.13Cu0.99Fe0.01O4” por H. Huang, S.-J. Lee, Y. Ikeda, T. Taniguchi, M. Takahama, C.-C. Kao, M. Fujita y J.-S. Lee, 21 de abril de 2021, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.126.167001
Un equipo de investigación dirigido por Masaki Fujita en la Universidad de Tohoku en Japón cultivó el cristal LSCFO de alta calidad utilizado en el experimento y realizó pruebas preliminares allí. La investigación fue financiada por la Oficina de Ciencias del DOE. SSRL es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.
