Haciendo desaparecer la superconductividad de alta temperatura para entender su origen

Por eso, los físicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE) que estudiaban un conocido cuprato que contenía capas de óxido de bismuto, óxido de estroncio, calcio y óxido de cobre (BSCCO) decidieron centrarse en la parte menos complicada "sobredimensionada", dopando tanto el material que la superconductividad acaba por desaparecer. Como informaron en un documento publicado en Nature Communications, este enfoque les permitió identificar que las interacciones puramente electrónicas probablemente conduzcan a un HTS.

"La superconductividad en los cupratos suele coexistir con arreglos periódicos de carga eléctrica o de giro y muchos otros fenómenos que pueden competir con la superconductividad o ayudar a ella, lo que complica el panorama", explicó la primera autora Tonica Valla, física del Grupo de Espectroscopia Electrónica de la División de Física de la Materia Condensada y Ciencia de los Materiales del Laboratorio Brookhaven. "Pero estos fenómenos se debilitan o desaparecen completamente 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 los electrones en el BSCCO que se correlaciona uno a uno con la superconductividad. La superconductividad emerge exactamente cuando esta interacción aparece por primera vez y se hace más fuerte a medida que la interacción se fortalece".

Sólo muy recientemente se ha hecho posible la sobredosificación de muestras de cuprato más allá del punto en que la superconductividad se desvanece. Anteriormente, un cristal a granel del material sería recocido (calentado) en gas de oxígeno a alta presión para aumentar la concentración de oxígeno (el material dopante). El nuevo método, que Valla y otros científicos de Brookhaven demostraron por primera vez hace un año en OASIS, un nuevo instrumento in situ para la preparación y caracterización de muestras, utiliza ozono en lugar de oxígeno para recojer las muestras cortadas. La división se refiere a romper el cristal en el 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, un físico del Grupo de Epitaxia de Rayos Moleculares de Óxido (OMBE) de la división. "Esto significa que podemos llevar más oxígeno al cristal para crear más agujeros en los planos de óxido de cobre, donde se produce la superconductividad. En OASIS, podemos exagerar 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 espectroscopia de fotoemisión con resolución de ángulo (ARPES) y de microscopia de túnel de exploración de imágenes espectroscópicas (SI-STM) para estudiar la estructura electrónica de estas películas. Aquí, los materiales pueden cultivarse y estudiarse utilizando el mismo sistema conectado de ultra alto vacío para evitar la oxidación y la contaminación por el dióxido de carbono, el agua y otras moléculas de la atmósfera. Debido a que el ARPES y el SI-STM son técnicas extremadamente sensibles a la superficie, las superficies prístinas son críticas para obtener mediciones precisas.

Para este estudio, el coautor Genda Gu, un físico del Grupo de Dispersión de Neutrones de la división, hizo crecer cristales de BSCCO a granel. Drozdov recoció los cristales cortados en el ozono en la cámara OMBE en OASIS para aumentar el dopaje hasta que se perdió completamente la superconductividad. La misma muestra fue luego recocida al vacío para reducir gradualmente el dopaje y aumentar la temperatura de transición a la que surge 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 te da la imagen más directa de la estructura electrónica de cualquier material", dijo Valla. "La luz excita los electrones de una muestra, y midiendo su energía y el ángulo en el que escapan, puedes recrear la energía y el momento de los electrones mientras estaban todavía en el cristal".

Al medir esta relación energía-versus-momento, Valla detectó una torcedura (anomalía) en la estructura electrónica que sigue a la temperatura de transición superconductora. La torcedura se hace más pronunciada y cambia a energías más altas a medida que esta temperatura aumenta y la superconductividad se hace más fuerte, pero desaparece 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 el acoplamiento electrón-fonón, como se había teorizado para los superconductores convencionales. Según esta teoría, los fonones, o vibraciones de los átomos en la red cristalina, sirven como fuerza de atracción para los electrones, que de otro modo serían repulsivos, mediante el intercambio de impulso y energía.

"Nuestro resultado nos permitió descartar el acoplamiento electrón-fonón 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. "Si los fonones estuvieran involucrados, esperaríamos 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 ocurre algo similar al acoplamiento electrón-fonón, pero en lugar de los fonones, se intercambia otra excitación entre los electrones. Parece que los electrones están interactuando a través de las fluctuaciones de espín, que están relacionadas con los propios electrones. Las fluctuaciones de espín 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 descubrieron que la energía de la torcedura es menor que la de una energía característica en la que aparece un pico agudo (resonancia) en el espectro de fluctuación del espín. Su hallazgo sugiere que el inicio de las fluctuaciones de espín (en lugar del pico de resonancia) es responsable de la torcedura observada y puede ser el "pegamento" que une los electrones en los pares requeridos para el HTS.

A continuación, el equipo planea recoger pruebas adicionales que demuestren que las fluctuaciones de giro están relacionadas con la superconductividad mediante la obtención de mediciones del SI-STM. También realizarán experimentos similares en otro cuprato bien conocido, el óxido de cobre de estroncio de 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 sólo en BSCCO sino también en otros cupratos".