L'agente riducente controlla il doping nel superconduttore cuprato

Un nuovo modo di modificare la composizione dei superconduttori a base di ossido di rame potrebbe far luce sulle loro proprietà fondamentali, compreso il meccanismo responsabile della loro superconduttività ad alta temperatura. La tecnica prevede il riscaldamento dei superconduttori per diversi periodi di tempo e produce campioni che vengono drogati a diversi livelli modificando il loro contenuto di ossigeno. Il tipo di drogaggio può anche essere trasformato da drogato di lacune a drogato di elettroni, un cambiamento che non era possibile con i precedenti metodi di drogaggio.

La teoria classica (o BCS) della superconduttività afferma che, al di sotto di una certa temperatura critica, gli elettroni fermionici in un metallo si accoppiano con l'aiuto delle vibrazioni del reticolo per creare bosoni chiamati coppie di Cooper. Questi bosoni formano un condensato coerente in fase che può fluire attraverso un materiale senza dispersione, con la comparsa della superconduttività come conseguenza.

Tuttavia, la teoria BCS non spiega la superconduttività di superconduttori non convenzionali come ossidi di rame (cuprati), pnictidi e altri superconduttori esotici. Mentre la resistenza di un metallo di solito diminuisce man mano che il materiale si raffredda, molti di questi superconduttori non convenzionali sperimentano un drastico cambiamento nella loro struttura a bande elettroniche che fa diminuire la loro resistenza a temperature superiori alla temperatura critica T_c. Questo cambiamento è noto come pseudogap e può verificarsi perché gli elettroni formano coppie (sebbene non un condensato superconduttore) a temperature superiori alla temperatura critica.

Da drogato di lacune a drogato di elettroni

Nel nuovo lavoro, un team guidato da Hong Ding della Laboratorio nazionale di Pechino per la fisica della materia condensata e la Istituto di fisica presso l'Accademia cinese delle scienze ha studiato un tipico superconduttore cuprato drogato con lacune con la formula chimica Bi₂Sr₂CaCu₂O_{8 + δ} (Bi2212). Il drogaggio in questo materiale è determinato principalmente dal suo contenuto di ossigeno e le tecniche di drogaggio convenzionali possono essere utilizzate per regolare il suo livello di drogaggio dei fori.

Nei loro esperimenti, Ding e colleghi hanno posizionato campioni di Bi2212 in un tubo di quarzo che conteneva CaH in polvere₂, che è un forte agente riducente. Hanno quindi pompato il tubo sottovuoto e lo hanno riscaldato a una temperatura fissa con un forno tubolare. Hanno tenuto il campione a questa temperatura per periodi di tempo variabili. Questo processo, noto come ricottura, controlla il livello di drogaggio nel Bi2212.

“Durante la ricottura, l'idrogeno emanato dal CaH₂ si combina con l'ossigeno nel Bi2212, formando vapore acqueo", spiega Ding. “Abbiamo scoperto che il CaH₂ è molto efficace nel cambiare la valenza del rame in Bi2212.”

Il nuovo metodo di drogaggio ha permesso loro di modificare il contenuto di ossigeno del superconduttore su un intervallo molto più ampio di quanto fosse possibile in precedenza, e persino di passare dall'essere drogato di lacune a drogato di elettroni. E non è tutto: i ricercatori affermano di aver trovato anche prove di una fase superconduttiva a bassa temperatura nel materiale drogato con elettroni.

Utilizzando una combinazione di diffrazione dei raggi X, microscopia elettronica a trasmissione a scansione e misurazioni della resistenza e dell'effetto Hall, i ricercatori hanno confermato che la reazione topochimica nella fornace è efficace nel modificare il contenuto di ossigeno di Bi2212. Anche le analisi di trasporto a temperatura ultrabassa utilizzando un frigorifero di diluizione, che può raggiungere fino a 10 mK, hanno rivelato una brusca transizione a uno stato di resistenza zero (indicativo di superconduttività) a circa 1.4 K nei campioni drogati con elettroni.

In un lavoro futuro, il team afferma che eseguirà misurazioni ARPES e STM su questi campioni Bi2212 drogati per scoprire come si evolvono la struttura a bande del materiale, la superficie di Fermi, il gap superconduttore e lo pseudogap. "Si spera che questi studi ci consentano di comprendere meglioT_c superconduttori in generale", dice Ding Mondo della fisica.

Il presente lavoro è dettagliato in Lettere cinesi di fisica.