Eccitazioni magnetiche e superconduttività ad alta temperatura critica / Magnetic excitations and high critical temperature superconductivity

Eccitazioni magnetiche e superconduttività ad alta temperatura critica / Magnetic excitations and high critical temperature superconductivity

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Lo stato di conduzione elettrica di tipo superconduttivo nei solidi trae origine da un'interazione attrattiva tra i portatori di carica, siano essi elettroni o lacune. La temperatura critica (Tc) della transizione superconduttiva dipende dall'energia caratteristica dell'interazione. Nel caso dei superconduttori tradizionali l'interazione è di tipo fononico, cioè mediata da "quanti" di vibrazioni reticolari che hanno un'energia dell'ordine di poche decine di meV, così che Tc è di pochi kelvin. Nei superconduttori ad alta temperatura critica (HTS), la Tc è maggiore di un ordine di grandezza, fino a 125K. A 25 anni dalla scoperta degli HTS, non è ancora stata chiarita la natura dell'interazione all'origine di Tc così elevate. Tutti gli HTS si ottengono drogando per via chimica dei composti "genitori" isolanti e caratterizzati da un ordine antiferromagnetico molto stabile. Per questa ragione si ipotizza che le elevate Tc possano essere spiegate da eccitazioni (o fluttuazioni) magnetiche, che in questi materiali hanno energie dell'ordine di alcune centinaia di meV. Mancava sinora un'evidenza sperimentale diretta che lo spettro di tali eccitazioni magnetiche sia abbastanza intenso. Il Politecnico di Milano e l'Istituto CNR-SPIN, in collaborazione con il Max-Planck Institut di Stoccarda, hanno condotto esperimenti fondamentali sulle eccitazioni magnetiche negli HTS. I risultati, ottenuti presso il sincrotrone svizzero SLS, del Paul Scherrer Institut, sono frutto dei recenti progressi nelle tecniche di diffusione anelastica risonante di raggi X (Resonant Inelastic X-ray Scattering, RIXS). È stato utilizzato SAXES, lo spettrometro ad alta risoluzione della beamline ADDRESS di SLS progettato e costruito presso il Politecnico di Milano. Nel lavoro è stata studiata l'evoluzione in funzione del drogaggio, e quindi di Tc, delle eccitazioni elementari magnetiche in un'ampia famiglia di HTS di composizione chimica YBa2Cu3Ox [1-3]. Contrariamente a quanto precedentemente ipotizzato sulla base di esperimenti di diffusione di neutroni, si è scoperto che tali eccitazioni magnetiche coesistono con la superconduttività, e che il loro peso spettrale è sostanzialmente conservato a tutti i livelli di drogaggio. Tali risultati, quindi, rivelano che l'alta temperatura critica potrebbe effettivamente essere attribuita a un'interazione magnetica tra i portatori di carica. Naturalmente, ulteriori studi teorici e sperimentali sono necessari per chiarire la relazione tra eccitazioni magnetiche e superconduttività ad alta Tc.

ENGLISH

The state of superconducting electrical conduction in solids originates from an attractive interaction between the charge carriers, be they electrons or holes. The critical temperature (Tc) of the superconducting transition depends on the characteristic energy of the interaction. In the case of traditional superconductors the interaction is of the phononic type, ie mediated by "quanta" of lattice vibrations which have an energy of the order of a few tens of meV, so that Tc is of a few kelvins. In high critical temperature (HTS) superconductors, the Tc is greater than an order of magnitude, up to 125K. 25 years after the discovery of HTS, the nature of the interaction at the origin of such high Tc has not yet been clarified. All HTS are obtained by chemically doping insulating "parent" compounds characterized by a very stable antiferromagnetic order. For this reason it is hypothesized that the high Tc can be explained by magnetic excitations (or fluctuations), which in these materials have energies of the order of a few hundred meV. Up to now, there has been no direct experimental evidence that the spectrum of such magnetic excitations is sufficiently intense. The Politecnico di Milano and the CNR-SPIN Institute, in collaboration with the Max-Planck Institut of Stuttgart, have conducted fundamental experiments on magnetic excitations in HTS. The results, obtained at the Swiss synchrotron SLS, of the Paul Scherrer Institut, are the result of recent advances in Resonant Inelastic X-ray Scattering (RIXS) techniques. SAXES, the high resolution spectrometer of the SLS ADDRESS beamline designed and built at the Politecnico di Milano, was used. The work studied the evolution as a function of doping, and therefore of Tc, of the elementary magnetic excitations in a large family of HTS of chemical composition YBa2Cu3Ox [1-3]. Contrary to what was previously hypothesized on the basis of neutron scattering experiments, it was found that such magnetic excitations coexist with superconductivity, and that their spectral weight is substantially conserved at all doping levels. These results, therefore, reveal that the high critical temperature could indeed be attributed to a magnetic interaction between the charge carriers. Of course, further theoretical and experimental studies are needed to clarify the relationship between magnetic excitations and high Tc superconductivity.

Da:

https://www.cnr.it/it/highlights/359/eccitazioni-magnetiche-e-superconduttivita-ad-alta-temperatura-critica