Superconduttività: Svolta Innovativa - Prima Visualizzazione Diretta di una Ondata di Densità di Coppia a Campo Nullo

In questa illustrazione del materiale superconduttore Eu-1144, l'onda blu e magenta mostrata sopra il reticolo cristallino rappresenta come il livello di energia delle coppie di elettroni (sfere gialle) si modula spazialmente mentre questi elettroni si muovono attraverso il cristallo. Credito: Brookhaven National Laboratory

La spettroscopia di tunneling scopre la prova più chiara finora che questo stato esotico della materia superconduttrice esiste senza un campo magnetico in un superconduttore a base di ferro.

I ricercatori hanno scoperto uno stato superconduttore alternativo, chiamato pair density wave (PDW), in un ambiente non magnetico, mettendo in discussione le precedenti comprensioni della superconduttività. Questa scoperta in un superconduttore a base di ferro che mostra anche il ferromagnetismo apre nuove possibilità di ricerca sulla superconduttività e potrebbe rivoluzionare il settore.

Nel campo della superconduttività, il "santo graal" della scoperta è un superconduttore che può funzionare a temperature e pressioni ordinarie. Un materiale del genere potrebbe rivoluzionare la vita moderna. Ma attualmente, anche i superconduttori "ad alta temperatura" (high-Tc) che sono stati scoperti devono essere mantenuti molto freddi per funzionare, troppo freddi per la maggior parte delle applicazioni.

Gli scienziati devono ancora imparare molto prima che si possa realizzare la superconduttività a temperatura ambiente, principalmente perché i superconduttori sono materiali estremamente complessi con stati magnetici ed elettronici intrecciati e talvolta in competizione. Questi diversi stati, o fasi, possono essere molto difficili da districare e interpretare.

Uno di questi stati è uno stato superconduttore alternativo della materia noto come pair density wave (PDW), che è caratterizzato da coppie accoppiate di elettroni in costante movimento. Si pensava che i PDW potessero sorgere solo quando un superconduttore viene posto all'interno di un grande campo magnetico, fino ad ora.

Recentemente, ricercatori del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, dell'Università di Columbia e del National Institute of Advanced Industrial Science and Technology del Giappone hanno osservato direttamente un PDW in un materiale superconduttore a base di ferro senza campo magnetico presente. Descrivono i loro risultati nell'edizione online del 28 giugno 2023 della rivista Nature.

"I ricercatori nel nostro campo hanno teorizzato che un PDW potesse esistere da solo, ma le prove sono state ambigue al meglio", ha detto Kazuhiro Fujita, fisico del Brookhaven che ha partecipato allo studio. "Questo superconduttore a base di ferro è il primo materiale in cui le prove puntano chiaramente a un PDW a campo magnetico zero. Questo è un risultato interessante che apre nuove potenziali strade di ricerca e scoperta per la superconduttività".

Il materiale, il pnictide di ferro EuRbFe4As4 (Eu-1144), che ha una struttura cristallina a strati, è anche molto notevole perché mostra naturalmente sia la superconduttività che il ferromagnetismo. Questa insolita doppia identità è ciò che ha inizialmente attirato il gruppo al materiale e li ha spinti a studiarlo.

"Volevamo vedere se questo magnetismo fosse collegato alla superconduttività. In generale, i superconduttori sono destabilizzati dall'ordine magnetico, quindi quando sia la superconduttività che il magnetismo esistono insieme in un unico composto, è interessante vedere come i due coesistono", ha detto il fisico Abhay Pasupathy, uno degli autori del lavoro, che è affiliato sia al Brookhaven che a Columbia. "È possibile che i due fenomeni esistano in diverse parti del composto e non abbiano nulla a che fare l'uno con l'altro. Ma, invece, abbiamo scoperto che c'è una bella connessione tra i due".

La superconduttività spazialmente modulata è stata rilevata all'apparizione del magnetismo.

"Questo è un risultato interessante che apre nuove potenziali strade di ricerca e scoperta per la superconduttività" — Fisico del Brookhaven Lab Kazuhiro Fujita

Pasupathy e i suoi colleghi hanno studiato Eu-1144 nel laboratorio ad ultra-bassa vibrazione di Brookhaven utilizzando un microscopio a scansione spettroscopica ad immagini dello stato dell'arte (SI-STM).

"Questo microscopio misura quanti elettroni in una posizione specifica del materiale 'tunnel' avanti e indietro tra la superficie del campione e la punta del SI-STM mentre la tensione tra la punta e la superficie varia", ha detto Fujita. "Queste misurazioni ci permettono di creare una mappa sia del reticolo cristallino del campione che del numero di elettroni a energie diverse in ciascuna posizione atomica".

Hanno effettuato misurazioni sul loro campione mentre la temperatura aumentava, passando attraverso due punti critici: la temperatura del magnetismo, al di sotto della quale il materiale mostra ferromagnetismo, e la temperatura di superconduttività, al di sotto della quale il materiale è in grado di trasportare corrente con resistenza zero.

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.