Avance en la superconductividad: primera visualización directa de una onda de densidad de pares en campo cero.

En esta ilustración del material superconductor Eu-1144, la onda azul y magenta que se muestra sobre la red cristalina representa cómo el nivel de energía de los pares de electrones (esferas amarillas) se modula espacialmente a medida que estos electrones se mueven a través del cristal. Crédito: Laboratorio Nacional de Brookhaven

La espectroscopia de túnel revela la prueba más clara hasta ahora de que este estado exótico de la materia superconductora existe sin un campo magnético en un superconductor basado en hierro.

Los investigadores descubrieron un estado superconductor alternativo, llamado onda de densidad de pares (PDW), en un entorno no magnético, desafiando las comprensiones previas de la superconductividad. Este avance en un superconductor basado en hierro que también exhibe ferromagnetismo abre nuevas posibilidades para la investigación de la superconductividad y podría revolucionar el campo.

En el campo de la superconductividad, el "santo grial" del descubrimiento es un superconductor que pueda funcionar a temperaturas y presiones cotidianas.  Tal material podría revolucionar la vida moderna. Pero actualmente, incluso los superconductores de "alta temperatura" (alta Tc) que se han descubierto deben mantenerse muy fríos para funcionar, demasiado fríos para la mayoría de las aplicaciones.

Los científicos aún tienen mucho que aprender antes de que la superconductividad a temperatura ambiente pueda hacerse realidad, en gran parte porque los superconductores son materiales altamente complejos con estados magnéticos y electrónicos entrelazados y a veces en competencia. Estos diferentes estados, o fases, pueden ser muy difíciles de desentrañar e interpretar.

Un estado de ese tipo es un estado superconductor alternativo de la materia conocido como onda de densidad de pares (PDW), que se caracteriza por pares acoplados de electrones que están en constante movimiento. Se pensaba que las PDW solo surgían cuando se colocaba un superconductor dentro de un campo magnético grande, hasta ahora, eso es.

Los miembros del equipo de investigación del Laboratorio Nacional de Brookhaven (de izquierda a derecha) Raymond Blackwell, He Zhao y Kazuhiro Fujita. Crédito: Laboratorio Nacional de Brookhaven

Recientemente, investigadores del Laboratorio Nacional de Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU., la Universidad de Columbia y el Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada de Japón observaron directamente una PDW en un material superconductor basado en hierro sin campo magnético presente. Describen sus resultados en la edición en línea del 28 de junio de 2023 de la revista Nature.

"Los investigadores en nuestro campo han teorizado que una PDW podría existir por sí misma, pero la evidencia ha sido ambigua en el mejor de los casos", dijo Kazuhiro Fujita, físico de Brookhaven que participó en el estudio. "Este superconductor basado en hierro es el primer material en el que la evidencia apunta claramente a una PDW sin campo magnético. Este es un resultado emocionante que abre nuevas posibilidades de investigación y descubrimiento para la superconductividad".

El material, el pnicituro de hierro EuRbFe4As4 (Eu-1144), que tiene una estructura cristalina en capas, también es bastante notable porque exhibe naturalmente tanto la superconductividad como el ferromagnetismo. Esta inusual identidad dual es lo que inicialmente atrajo al grupo hacia el material y los llevó a estudiarlo.

"Queríamos ver si este magnetismo está vinculado a la superconductividad. En general, los superconductores se desestabilizan por el orden magnético, por lo que cuando la superconductividad y el magnetismo existen juntos en un solo compuesto, es interesante ver cómo coexisten los dos", dijo el físico Abhay Pasupathy, uno de los coautores del artículo, afiliado tanto a Brookhaven como a Columbia. "Es concebible que los dos fenómenos existan en diferentes partes del compuesto y no tengan nada que ver entre sí. Pero, en cambio, encontramos que hay una hermosa conexión entre los dos".

La superconductividad modulada espacialmente se detectó al aparecer el magnetismo.

"Este es un resultado emocionante que abre nuevas posibilidades de investigación y descubrimiento para la superconductividad". - Físico de Brookhaven Kazuhiro Fujita

Pasupathy y sus colegas estudiaron Eu-1144 en el laboratorio de ultra baja vibración de Brookhaven utilizando un microscopio de escaneo de túnel espectral de imágenes de última generación (SI-STM).

"Este microscopio mide cuántos electrones en una ubicación específica del material 'tunelan' de un extremo a otro entre la superficie de la muestra y la punta del SI-STM a medida que se varía el voltaje entre la punta y la superficie", dijo Fujita. "Estas medidas nos permiten crear un mapa tanto de la red cristalina de la muestra como del número de electrones a diferentes energías en cada ubicación atómica".

Realizaron mediciones en su muestra a medida que su temperatura aumentaba, pasando por dos puntos críticos: la temperatura del magnetismo, por debajo de la cual el material exhibe ferromagnetismo, y la temperatura superconductora, por debajo de la cual el material puede transportar corriente sin resistencia.

Below the sample’s critical superconducting temperature, the measurements revealed a gap in the spectrum of electron energies. This gap is an important marker because its size is equivalent to the energy it takes to break apart the electron pairs that carry the superconducting current. Modulations in the gap reveal variations in the electrons’ binding energies, which oscillate between a minimum and maximum. These energy gap modulations are a direct signature of a PDW.

This discovery points researchers in some new directions, such as trying to reproduce this phenomenon in other materials. There are also other aspects of a PDW that can be investigated, such as trying to indirectly detect the movement of the electron pairs via signatures that show up in other properties of the material.

“Many of our collaborators have shown great interest in our work and are already planning different types of experiments on this material, such as using x-rays and muons,” said Pasupathy.

This research group also includes He Zhao (Brookhaven Lab), Raymond Blackwell (Brookhaven Lab), Morgan Thinel (Columbia University), Taketo Handa (Columbia University), Shigeyuki Ishida (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Japan), Xiaoyang Zhu (Columbia University), Akira Iyo (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Japan), and Hiroshi Eisaki (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Japan). The work was funded by the DOE Office of Science (BES), the National Science Foundation, the Air Force Office of Scientific Research, and the Japan Society for the Promotion of Science.