La onda de densidad de carga está asociada con distorsiones atómicas en un potencial superconductor.

¿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. entender estos materiales que no es La superconductividad es una parte esencial 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 X revisión físicaFujita 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 a medida que el material se enfría, los estudios de rayos X han demostrado que uno de los modos de vibración se detiene.

«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). Limpiando la superficie del material en capas usando billonesCon una precisión de hasta un metro, pueden mapear átomos y medir las distancias entre ellos, mientras miden simultáneamente la carga eléctrica en cada ubicación en una escala atómica.

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 simultáneamente tanto la distribución de carga como la estructura atómica, puedes ver cómo la apariencia del CDW mantiene a 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.

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