Una tecnica avanzata ai raggi-x rivela sorprendenti eccitazioni quantistiche che persistono attraverso i materiali con o senza superconduttività
UPTON, NY – L'inefficienza intrinseca è una piaga dei sistemi attuali per la generazione e il trasporto di elettricità, che causa una importante perdita di energia lungo il transito. I superconduttori ad alta temperatura (HTS), con l'unica capacità di trasmettere elettricità senza perdite se raffreddati a temperature sotto zero, potrebbero rivoluzionare l'infrastruttura energetica imperfetta e obsoleta del pianeta, ma i meravigliosi materiali rimangono fondamentalmente misteriosi per i fisici. Per rivelare il vero potenziale della tecnologia HTS, gli scienziati devono navigare nel labirinto della scala quantistica e scoprire la fonte del fenomeno.
Ora, scienziati del Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory americano e altre istituzioni hanno scoperto una svolta sorprendente nelle proprietà magnetiche dei HTS, che sfida alcune teorie principali. In un nuovo studio, pubblicato online nel journal Nature Materials il 4 agosto 2013, gli scienziati hanno scoperto che eccitazioni magnetiche inattese, onde quantistiche che molti credono regolare gli HTS, esistono sia in materiali non-superconduttori che superconduttori. “Questo è un grande indizio sperimentale su quali eccitazioni magnetiche siano importanti per la superconduttività ad alta temperatura”, ha detto Mark Dean, fisico del Brookhaven Lab e autore principale del nuovo documento. “Le tecniche di scattering ai raggi-x più avanzate ci hanno permesso di vedere le eccitazioni in campioni che prima si pensavano essere essenzialmente non-magnetici”.
In scala atomica, gli elettroni ruotano, in modo simile a piccoli magneti puntati in una specifica direzione, interagendo rapidamente tra loro attraverso i materiali magnetici. Quando uno spin ruota, questo disturbo può propagarsi nel materiale come onda, causando l'allineamento degli spin degli elettroni vicini. Molti ricercatori credono che questa sottile onda possa legare assieme gli elettroni per creare il perfetto trasporto di corrente degli HTS, che operano a temperature leggermente superiori rispetto alla tradizionale superconduttività. “Provare o confutare questa ipotesi rimane uno dei sacri graal della ricerca nella fisica della materia condensata”, dice Dean. “Questa scoperta ci da un modo nuovo per valutare le teorie rivali della HTS”.
Drogaggio perfetto
La superconduttività richiede condizioni estremamente fredde e una precisa ricetta chimica. Oltre a selezionare i giusti elementi dalla tavola periodica, i fisici truccano il contenuto elettronico degli atomi tramite un processo detto drogaggio. Il drogaggio determina il numero medio di elettroni presenti in ogni atomo e detta sia il comportamento delle onde di spin che la presenza di HTS, che emerge attorno ad un particolare punto di drogaggio. Per questo studio, il team ha esaminato sottili film di di lantanio, stronzio, rame e ossigeno spesso abbreviato in LSCO. Questi particolari materiali HTS possono essere alterati in modo che esibiscano un'ampia gamma di differenti comportamenti elettronici. “Questo è l'unico sistema che ci permette di esaminare l'intero diagramma di fase, da un isolante fortemente correlato fino ad un metallo non-superconduttore”, dice il fisico del Brookhaven, John Hill, coautore del documento. “Potremmo misurare le eccitazioni magnetiche sia prima che dopo i livelli ideali di drogaggio per la superconduttività”.
Per produrre questi materiali, il fisico del Brookhaven Lab, Ivan Bozovic, altro autore dello studio, ha usato una speciale macchina per epitassia a fascio molecolare (ALL-MBE). Il sistema di Bozovic è equipaggiato in modo unico per monitorare la sintesi dei film di LSCO in tempo reale e questo gli permette un livello senza paragoni di controllo sulla composizione atomica di ogni strato, inclusa la correzione dei livelli di drogaggio. “Ivan fa crescere questi film fantastici”, ha detto Hill. “I suoi campioni sono estremamente uniformi con superfici simili a specchi. Questo aiuta enormemente quando si cerca di studiare le sottigliezze del come questi campioni diffraggono i raggi-x”.
Misurare il Mare Quantistico
Le increspature quantistiche hanno lunghezze d'onda misurate sulla scala Ångstrom, più piccole di un miliardesimo di metro. Per rilevare queste minuscole fluttuazioni, gli scienziati hanno applicato una tecnica detta Scattering di raggi-X risonante anelastico (RIXS) alla intera gamma di film LSCO. Le misurazioni sono state prese con l'Advanced X-ray Emission Spectrometer presso l'European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Francia. La progettazione, la costruzione e messa in funzione di questo strumento è stata guidata da Giacomo Ghiringhelli e Lucio Braicovich del Politecnico di Milano in Italia e Nick Brookes presso l'ESRF. Il team del Brookhaven Lab ha lavorato in stretta collaborazione con questi scienziati per eseguire le misurazioni RIXS.
“Questo strumento ci ha permesso di misurare precisamente quanta energia perdono i raggi-x nel colpire ogni campione di LSCO”, ha detto Dean. “Potremmo quindi verificare la presenza o assenza di eccitazioni magnetiche e tracciarle per tutti i diversi livelli di drogaggio.” Studi precedenti tramite lo scattering di neutroni, hanno scoperto che le eccitazioni magnetiche sembravano svanire nei campioni di LSCO sovradrogati, rafforzando la teoria prominente per cui le onde giocano un ruolo essenziale nella superconduttività. La tecnica RIXS, tuttavia, è molto più sensibile alle eccitazioni magnetiche con certe lunghezze d'onda e in grado di rilevare segnali altrimenti impercettibili. “Scoprire le eccitazioni che non dipendono dai livelli di drogaggio, significa che la relazione tra la HTS e le onde in questi film è più intricata di quanto ci aspettassimo”, ha detto Hill.
Fasci più luminosi e migliori superconduttori
la tecnica RIXS è attualmente in grado di rilevare eccitazioni magnetiche con una precisione o risoluzione di energia, di circa 100 milli-elettron volts, ma gli scienziati cercano un fenomeno più fondamentale, che richiede persino più accuratezza e sensibilità. Il Synchrotron Light Source II (NSLS-II) del Brookhaven Lab, dovrebbe iniziare ad operare nel 2015 e produrrà i raggi-x fra i più luminosi al mondo. La Soft Inelastic X-ray beamline in costruzione al NSLS-II promette una risoluzione di energia senza precedenti per le indagini nella HTS.
“La risoluzione RIXS non è ancora buona come vorremmo”, ha detto Dean. “NSLS-II sarà grandioso per il gioco della superconduttività, assolutamente grandioso. Riusciremo a vedere le eccitazioni fino ai 10 milli-electron volts e dovremmo trovare scoperte nascoste proprio lì”. “Lo scherzo è che la HTS è stata in effetti già risolta, ma non sappiamo quale sia la corretta teoria fra le varie in competizione”, ha detto Hill. “La nostra scoperta è stata predetta da alcuni gruppi e siamo emozionati nel vederli saltare sui risultati e portare avanti la nostra comprensione. Il lavoro è fondamentalmente interessante, sì, ma le applicazioni potenziali sono davvero eccitanti”.
La ricerca è stata finanziata tramite il Brookhaven Lab's Center for Emergent Superconductivity, un Energy Frontier Research Center finanziato dal U.S. Department of Energy's Office of Science, per cercare di comprendere la natura sottostante alla superconduttività nei materiali complessi. L'Office of Science del DOE è il singolo più grande organo di supporto della ricerca di base nelle scienze fisiche degli Stati Uniti e sta lavorando su alcune delle sfide più pressanti dei nostri tempi. Per ulteriori informazioni visitate http://science.energy.gov
Contatti: Justin Eure, (631) 344-2347 or Peter Genzer, (631) 344-3174printer iconPrint
Tradotto da Richard per Altrogiornale.org
Immagine: eccitazioni magnetiche mai viste prima, si increspano attraverso un superconduttore ad alta temperatura, rivelate per la prima volta tramite la tecnica Resonant Inelastic X-ray Scattering. Misurando il preciso cambiamento energetico dei fasci di raggi-x incidenti (freccia blu) quando colpiscono queste increspature quantistiche e rimbalzano (freccia rossa), gli scienziati hanno scoperto le eccitazioni presenti nell'intero diagramma di fase LSCO.
Fonte: http://www.bnl.gov/newsroom/news.php?a=11564
Vedi: https://www.altrogiornale.org/news.php?item.7999.7 https://www.altrogiornale.org/news.php?item.6294.7 https://www.altrogiornale.org/news.php?extend.8388.7