Luz de terahercios a partir de bandas superconductoras

Los científicos descubren una emisión anómala de radiación de terahercios a partir de óxidos de cobre en los que la superconductividad coexiste con el orden de las rayas de carga

27.09.2022 - Alemania

¿Por qué algunos materiales conducen la corriente eléctrica sin ninguna resistencia sólo cuando se enfrían hasta casi el cero absoluto, mientras que otros lo hacen a temperaturas comparativamente altas? Esta pregunta clave sigue siendo un problema para 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) de Hamburgo ha aportado pruebas de que las "rayas" de electrones en ciertos compuestos basados en el cobre pueden provocar una ruptura de la simetría cristalina del material, que persiste incluso en su estado superconductor. Su trabajo se ha publicado en PNAS.

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

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 empezaban a emitir un tipo concreto de luz de terahercios (THz), una técnica conocida como espectroscopia de emisión de THz. Normalmente, estas emisiones sólo se producen en presencia de un campo magnético o de una corriente polarizadora. Sin embargo, el equipo del MPSD sondeó los cupratos sin aplicar ninguna polarización externa y descubrió una emisión de THz "anómala" en algunos de ellos. Estos compuestos presentaban el llamado orden de rayas de carga, en el que los electrones se organizan en patrones de cadena en lugar de moverse libremente. El orden de rayas de carga parece romper la simetría del cristal del material, al igual que lo haría un campo magnético o una corriente aplicada, y esta ruptura de la 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 claramente coherente y casi monocolor en algunos superconductores y, por el contrario, una ausencia total de respuesta en otros. Pudimos asociar con razonable certeza las características de la emisión de THz con la presencia de orden de rayas de carga, una fase ordenada peculiar que se encuentra en varias familias de cupratos y que se cree que desempeña un papel en el mecanismo subyacente a la superconductividad de alta temperatura. Es probable que las franjas de carga provoquen una ruptura de simetría en el superconductor, cuya presencia no se había detectado con otras técnicas experimentales en el pasado".

En colaboración con físicos de la Universidad de Harvard, la ETH de Zúrich 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 del plasma Josephson", que es la frecuencia de túnel resonante de los pares de electrones superconductores a través de los planos cristalinos de cobre-oxígeno, los investigadores identificaron los llamados "plasmones Josephson de superficie" como fuente de emisión. Son análogos a las ondas sonoras que se desarrollan en la interfaz entre el superconductor y el entorno externo. En principio, se trata de modos "silenciosos", es decir, que no se acoplan directamente con la luz y, por tanto, no se espera que irradien. Sin embargo, es precisamente la presencia de la modulación de carga introducida por el orden de las franjas lo que proporciona el acoplamiento necesario con el mundo exterior y permite que estos modos se iluminen.

El trabajo del equipo aporta nuevos e importantes conocimientos sobre los procesos que conducen a la superconductividad de alta temperatura. También revela que la emisión anómala coherente de THz es una herramienta sensible para sondear la simetría de los superconductores en presencia de otras fases. Los investigadores consideran 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.

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