Un estudio revela la simetría especular rota en la fase tipo líquido de Fermi de un cuprato

27 de agosto de 2024 característica

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por Ingrid Fadelli, Phys.org

Los materiales que exhiben propiedades superconductoras a altas temperaturas, conocidos como superconductores de alta temperatura, han sido el foco de numerosos estudios recientes, ya que se pueden utilizar para desarrollar nuevas tecnologías que funcionan bien a temperaturas más altas. Aunque la superconductividad de alta temperatura ha sido ampliamente investigada, su física subyacente aún no se comprende completamente.

Un paso clave hacia una mejor comprensión de la superconductividad de alta temperatura es identificar fases ordenadas de los superconductores de alta temperatura y sus simetrías subyacentes. Esto se debe a que las transiciones de fase en estos materiales pueden estar vinculadas en última instancia a su superconductividad.

Investigadores de la Universidad Nacional de Seúl en Corea llevaron a cabo recientemente un estudio explorando fases y simetrías relacionadas en el material cuprato (Bi,Pb)2Sr2CaCu2O8+δ. Sus hallazgos, publicados en Nature Physics, revelaron una fase similar a un líquido de Fermi que ocurre en este material más allá de la dopación crítica, caracterizada por una simetría de espejo rota.

"Hace unos cuatro años, estábamos buscando un experimento adecuado para nuestro nuevo equipo llamado generación armónica de segundo orden de anisotropía rotacional (RA-SHG), que es una técnica muy sensible y se ha convertido en una herramienta experimental importante", dijo Changyoung Kim, coautor del artículo, a Phys.org.

"Hubo algunas sugerencias de que podría haber una nueva fase en una región del diagrama de fase del superconductor de óxido de cobre o cuprato, llamada región sobre-dopada. El instinto se activó y nos dimos cuenta de que la SHG es una herramienta adecuada para buscar tales fases".

La superconductividad en los superconductores cupratos puede ser modulada utilizando una técnica conocida como dopado, que implica agregar impurezas u otros elementos a un material para cambiar sus propiedades.

Este proceso permite a los investigadores obtener selectivamente superconductores, metales o aislantes. La cantidad de dopado a la que se puede obtener superconductividad a la temperatura más alta es alrededor de un valor de 0.15, mientras que cualquier valor por encima de este se considera 'sobre-dopado'.

Estudios recientes mostraron que los superconductores cupratos sobre-dopados podrían exhibir una nueva fase. Kim y sus colegas se propusieron investigar esta fase utilizando superconductores dopados con plomo previamente sintetizados en sus laboratorios.

"Las simetrías nos dicen mucho sobre la naturaleza", explicó Kim. "Por lo tanto, descubrir simetrías es un paso importante en la investigación física. Sin embargo, a veces las simetrías pueden ser sutiles (o a veces ocultas) por lo que identificar simetrías (o simetrías rotas) puede ser bastante difícil. La SHG es una técnica que nos permite detectar simetrías o su ruptura de la manera más sensible".

Utilizando el RA-SHG desarollado en su laboratorio, los investigadores realizaron una serie de pruebas en muestras de (Bi,Pb)2Sr2CaCu2O8+δ que habían sido dopadas más allá de la dopación crítica. La dopación crítica es un estado en el que la concentración de dopantes introducida en un material supera un umbral específico, después del cual el material presentará diferentes propiedades físicas.

"En física, hay algo llamado transición de fase cuántica, una transición de fase que ocurre a cero Kelvin (temperatura cero absoluta)", explicó Kim. "El punto en el que la transición de fase ocurre a 0 K se llama punto crítico cuántico. Se cree que la superconductividad de alta temperatura está relacionada con este punto crítico cuántico.

"En el caso de los superconductores cupratos, la dopación crítica es de alrededor de 0.19 y nuestros experimentos se realizaron en muestras que excedían este valor".

Los investigadores descubrieron una simetría de espejo rota en su muestra cuprata, específicamente en una fase similar a un líquido de Fermi que ocurrió más allá de la dopación crítica. La temperatura en la que se observó esta fase coincidió con la temperatura en la que los metales extraños típicamente pasan a metales similares a un líquido de Fermi.

"Las simetrías contienen información importante y se espera que esta información nos lleve al mecanismo microscópico de la superconductividad de alta temperatura", dijo Kim. "Por eso, identificar fases y sus simetrías ha sido el corazón de la investigación en superconductores cupratos.

"En nuestro trabajo, encontramos una nueva fase y su simetría en el diagrama de fase. La simetría de la nueva fase puede ayudarnos a identificar la fase, lo que a su vez puede proporcionarnos más información sobre cómo interactúa un electrón con otros electrones o con su entorno".

La nueva fase descubierta como parte de este estudio reciente pronto podría ser examinada más a fondo utilizando varias otras técnicas experimentales. Kim y sus colegas esperan que tanto sus estudios recientes como futuros contribuyan a la comprensión de la superconductividad a alta temperatura. "Aunque nuestro trabajo sugiere fuertemente que hay una nueva fase, también es importante verificar con otras técnicas experimentales", agregó Kim. "Experimentos con otras técnicas están en progreso. En particular, esperamos identificar la nueva fase (el SHG nos dice qué tipo de simetrías tiene la nueva fase pero no qué es). También estamos planeando llevar a cabo investigaciones teóricas en colaboración con un grupo de teoría". Más información: Saegyeol Jung et al, Ruptura espontánea de la simetría de espejo en un cuprato más allá de la dopaje crítica, Nature Physics (2024). DOI: 10.1038/s41567-024-02601-1 Alessandra Milloch et al, Nuevo orden en el diagrama de fases del óxido de cobre, Nature Physics (2024). DOI: 10.1038/s41567-024-02602-0 Información del diario: Nature Physics © 2024 Science X Network