Distorsiones atómicas asociadas con la onda de densidad de carga en un superconductor potencial

Upton, NY – ¿Qué hace que algunos materiales transporten corriente sin resistencia? Los científicos están tratando de desentrañar las propiedades complejas. Aprovechar esta propiedad, conocida como superconductividad, podría conducir a líneas eléctricas completamente eficientes, computadoras ultrarrápidas y una serie de avances de eficiencia energética. Comprender estos materiales cuando no son superconductores es una parte clave de la búsqueda para desbloquear este potencial.

«Para resolver el problema, necesitamos comprender las muchas fases de estos materiales», dijo Kazuhiro Fujita, físico del Departamento de Física de la Materia Condensada y Ciencia de los Materiales del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. En un nuevo estudio recién publicado en la revista Physical Review X, Fujita y sus colegas buscaron una explicación para una rareza observada en una fase que coexiste con la fase superconductora de un superconductor de óxido de cobre.

La anomalía fue la misteriosa desaparición de la energía vibratoria de los átomos que forman la red cristalina de la materia. «Los rayos X muestran que los átomos vibran de ciertas formas», dijo Fujita. Pero cuando la sustancia se enfría, estudios de rayos x Show, uno de los modos de vibración se ha detenido.

«Nuestro estudio exploró la relación entre la estructura reticular y la estructura electrónica de este material para ver si podíamos entender lo que estaba pasando», dijo Fujita.

El equipo de Brookhaven utilizó un instrumento llamado espectroscopia de tunelización de exploración de imágenes (SI-STM). Al escanear la superficie del material en capas con una resolución de una trillonésima de metro, pueden mapear los átomos y medir las distancias entre ellos, mientras miden simultáneamente la carga eléctrica en cada ubicación a escala atómica.

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Las mediciones fueron lo suficientemente sensibles como para detectar las posiciones promedio de los átomos a medida que vibraban, y mostraron cómo esas posiciones cambiaron y se fijaron en su lugar cuando cesaron las vibraciones. También demostraron que la latencia vibratoria anómala está directamente relacionada con la aparición de una ‘onda de densidad de carga’, una distribución de densidad de carga estandarizada en el material.

Fujita explicó que los electrones que componen la onda de densidad de carga están localizados, lo que significa que están en posiciones fijas, separados de los electrones más móviles que transportan corriente y que finalmente forman la fase superconductora. Estos electrones localizados forman un patrón repetitivo de densidades más altas y más bajas que se pueden visualizar como escaleras colocadas una al lado de la otra (ver diagrama). Es la aparición de este patrón lo que distorsiona las vibraciones naturales de los átomos y cambia sus posiciones a lo largo de la dirección de los «grados».

«A medida que disminuye la temperatura y aparece la onda de densidad de carga (CDW), la energía de las vibraciones disminuye», dijo Fujita. «Al medir tanto la distribución de carga como la estructura atómica simultáneamente, puedes ver cómo la apariencia de un CDW mantiene los átomos en su lugar».

Este resultado indica que cuando los átomos vibran, la onda de densidad de carga interactúa con la red y apaga la red. “Detiene las vibraciones y deforma la red”, dijo Fujita.

Esta es otra pista de cómo dos propiedades de una fase de un material superconductor pueden unirse. Pero todavía queda mucho por descubrir sobre este material prometedor, dijo Fujita.

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«Hay muchas variables. Los electrones y la red son solo dos. Tenemos que observarlos todos y cómo interactúan entre sí para comprender realmente estos materiales», dijo.

Este trabajo fue apoyado por la Oficina de Ciencias (BES) del Departamento de Energía.

Barra lateral: Precisión de escaneo atómico y de electrones

El microscopio de espectroscopía de túnel de barrido (SI-STM) utilizado en este estudio logra su máxima resolución al estar completamente aislado de su entorno. Está contenido en un cubo de concreto que «flota» sobre resortes acolchados con vibraciones anclados al suelo por separado de los cimientos del Edificio de Ciencias Interdisciplinarias en el campus de Brookhaven. El aislamiento electromagnético de la jaula de Faraday, la espuma de aislamiento acústico y las tres capas de puertas brindan una protección completa contra cualquier vibración externa.

«Si hubiera alguna vibración externa, mataría el experimento», dijo Fujita. «Necesitamos aislar la vibración para ejecutar el experimento correctamente».

Al realizar mediciones, una aguja se cierne sobre la muestra a una distancia de aproximadamente un angstrom, una diez mil millonésima parte de un metro, o aproximadamente el diámetro de un átomo, pero no toca la superficie. La aplicación de voltajes variables permite que los electrones hagan un túnel (o salten) desde la muestra hasta la punta, creando una corriente. La intensidad de la corriente en cada sitio determina la densidad de electrones del material, mientras que las imágenes espectrales simultáneas capturan las características topológicas de la muestra, incluidas las posiciones atómicas y los cambios debidos a impurezas y defectos.

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