Los investigadores descubren que las imágenes superconductoras son en realidad fractales impulsados por el desorden en 3D.

12 de mayo de 2023

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por Cheryl Pierce, Universidad de Purdue

Satisfacer la demanda energética mundial está llegando a un punto crítico. El suministro de energía para la era tecnológica ha generado problemas a nivel global. Es cada vez más importante crear superconductores que puedan operar a presión y temperatura ambiente. Esto sería de gran ayuda para resolver la crisis energética.

Los avances en la superconductividad están vinculados a los avances en los materiales cuánticos. Cuando los electrones dentro de los materiales cuánticos experimentan una transición de fase, pueden formar patrones intrincados, como fractales. Un fractal es un patrón que nunca termina. Al acercarse a un fractal, la imagen parece la misma. Los fractales comúnmente vistos pueden ser un árbol o una escarcha en un vidrio de ventana en invierno. Los fractales pueden formarse en dos dimensiones, como la escarcha en la ventana, o en el espacio tridimensional, como las ramas de un árbol.

La Dra. Erica Carlson, profesora de física y astronomía del 150 aniversario en la Universidad de Purdue, lideró un equipo que desarrolló técnicas teóricas para caracterizar las formas fractales que hacen estos electrones, con el fin de descubrir la física subyacente que impulsa los patrones.

Carlson, una física teórica, ha evaluado imágenes de alta resolución de las ubicaciones de los electrones en el superconductor Bi2-xPbzSr2-yLayCuO6 + x (BSCO), y ha determinado que estas imágenes son, de hecho, fractales y descubrió que se extienden al espacio tridimensional completo ocupado por el material, como un árbol que llena el espacio.

Lo que alguna vez se pensó como dispersiones aleatorias dentro de las imágenes fractales son intencionales y, sorprendentemente, no se deben a una transición de fase cuántica subyacente como se esperaba, sino a una transición de fase inducida por el desorden.

Carlson lideró un equipo colaborativo de investigadores de varias instituciones y publicó sus hallazgos, titulados "Correlaciones nemáticas críticas en todo el rango de dopaje superconductor en Bi2-xPbzSr2-yLayCuO6 + x", en Nature Communications.

El equipo incluye científicos de Purdue e instituciones colaboradoras. Del equipo de Purdue, el equipo incluye a Carlson, el Dr. Forrest Simmons, reciente estudiante de doctorado, y los antiguos estudiantes de doctorado, el Dr. Shuo Liu y el Dr. Benjamin Phillabaum. El equipo de Purdue completó su trabajo dentro del Instituto de Ciencia y Ingeniería Cuántica de Purdue (PQSEI). El equipo de instituciones colaboradoras incluye a la Dra. Jennifer Hoffman, la Dra. Can-Li Song, la Dra. Elizabeth Main de la Universidad de Harvard, la Dra. Karin Dahmen de la Universidad de Urbana-Champaign y el Dr. Eric Hudson de la Universidad Estatal de Pennsylvania.

"La observación de patrones fractales de dominios orientacionales ('nemáticos') - ingeniosamente extraída por Carlson y colaboradores de imágenes STM de las superficies de cristales de un superconductor de alta temperatura de cupratos - es interesante y estéticamente atractivo por sí solo, pero también de considerable importancia fundamental para comprender la física esencial de estos materiales", dice el Dr. Steven Kivelson, el profesor Prabhu Goel de la Universidad de Stanford y un físico teórico especializado en estados electrónicos novedosos en materiales cuánticos. "Alguna forma de orden nematic, que generalmente se cree que es un avatar de un orden de ondas de densidad de carga más primitivo, se ha postulado que juega un papel importante en la teoría de los cupratos, pero la evidencia a favor de esta proposición ha sido ambigua en el mejor de los casos. Dos inferencias importantes siguen del análisis de Carlson et al.: 1) El hecho de que los dominios nemáticos aparezcan fractales implica que la longitud de correlación, la distancia sobre la cual el orden nemático mantiene coherencia, es mayor que el campo de visión del experimento lo que significa que es muy grande en comparación con otras escalas microscópicas. 2) El hecho de que los patrones que caracterizan el orden son los mismos que los obtenidos a partir de estudios del modelo de Ising de campo aleatorio tridimensional, uno de los modelos paradigmáticos de la mecánica estadística clásica, sugiere que la extensión del orden nemático está determinado por cantidades extrínsecas y que intrínsecamente (es decir, en ausencia de imperfecciones cristalinas) exhibiría correlaciones de mayor rango aún dentro del cuerpo del cristal. "

High resolution images of these fractals are painstakingly taken in Hoffman's lab at Harvard University and Hudson's lab, now at Penn State, using scanning tunneling microscopes (STM) to measure electrons at the surface of the BSCO, a cuprate superconductor. The microscope scans atom by atom across the top surface of the BSCO, and what they found was stripe orientations that went in two different directions instead of the same direction. The result, seen above in red and blue, is a jagged image that forms interesting patterns of electronic stripe orientations.

'The electronic patterns are complex, with holes inside of holes, and edges that resemble ornate filigree,' explains Carlson. 'Using techniques from fractal mathematics, we characterize these shapes using fractal numbers. In addition, we use statistics methods from phase transitions to characterize things like how many clusters are of a certain size, and how likely the sites are to be in the same cluster.'

Once the Carlson group analyzed these patterns, they found a surprising result. These patterns do not form only on the surface like flat layer fractal behavior, but they fill space in three dimensions. Simulations for this discovery were carried out at Purdue University using Purdue's supercomputers at Rosen Center for Advanced Computing. Samples at five different doping levels were measured by Harvard and Penn State, and the result was similar among all five samples.

The unique collaboration between Illinois (Dahmen) and Purdue (Carlson) brought cluster techniques from disordered statistical mechanics into the field of quantum materials like superconductors. Carlson's group adapted the technique to apply to quantum materials, extending the theory of second order phase transitions to electronic fractals in quantum materials.

'This brings us one step closer to understanding how cuprate superconductors work,' explains Carlson. 'Members of this family of superconductors are currently the highest temperature superconductors that happen at ambient pressure. If we could get superconductors that work at ambient pressure and temperature, we could go a long way toward solving the energy crisis because the wires we currently use to run electronics are metals rather than superconductors. Unlike metals, superconductors carry current perfectly with no loss of energy. On the other hand, all the wires we use in outdoor power lines use metals, which lose energy the whole time they are carrying current. Superconductors are also of interest because they can be used to generate very high magnetic fields, and for magnetic levitation. They are currently used (with massive cooling devices!) in MRIs in hospitals and levitating trains.'

Next steps for the Carlson group are to apply the Carlson-Dahmen cluster techniques to other quantum materials.

'Using these cluster techniques, we have also identified electronic fractals in other quantum materials, including vanadium dioxide (VO2) and neodymium nickelates (NdNiO3). We suspect that this behavior might actually be quite ubiquitous in quantum materials,' says Carlson.

This type of discovery leads quantum scientists closer to solving the riddles of superconductivity.

'The general field of quantum materials aims to bring to the forefront the quantum properties of materials, to a place where we can control them and use them for technology,' Carlson explains. 'Each time a new type of quantum material is discovered or created, we gain new capabilities, as dramatic as painters discovering a new color to paint with.'

Journal information: Nature Communications

Provided by Purdue University