Singlet di Zhang-Rice visualizzato direttamente in un superconduttore di cuprato

I ricercatori dell'Università di Tsinghua e dell'Accademia cinese delle scienze hanno ottenuto una svolta nello studio della superconduttività ad alta temperatura visualizzando direttamente uno stato quantistico a lungo ricercato noto come singlet di Zhang-Rice all'interno di un superconduttore a cuprato. I loro risultati, pubblicati su Nature Physics, segnano la prima volta che questa sfuggente configurazione elettronica è stata fotografata a scala atomica, offrendo approfondimenti critici sui meccanismi alla base della superconduttività nei materiali a base di ossido di rame.

La ricerca si concentra sul superconduttore cuprato Ca2CuO2Cl2 (CCOC), un materiale caratterizzato dalla sua struttura cristallina semplice e dalla sua superficie altamente ordinata, che lo rende ideale per la microscopia elettronica ad alta risoluzione. Introducendo quantità controllate di fori negli strati di CuO2 attraverso la sostituzione parziale di calcio con sodio, il team ha creato una serie di campioni con livelli di doping variabili. Questi variavano da condizioni quasi non dopate a poco prima dell'insorgenza della superconduttività. Per ogni campione, i ricercatori hanno condotto un'ampia imaging per tracciare l'evoluzione degli stati elettronici man mano che il doping aumentava. La scoperta chiave è arrivata durante questi esperimenti.

Il team ha catturato con successo le immagini del singlet di Zhang-Rice, uno stato quantistico formato quando un buco viene introdotto in un materiale cuprato. Questo stato, teorizzato per decenni, si ritiene che svolga un ruolo fondamentale nella formazione delle coppie di Cooper, le unità elementari responsabili della superconduttività. Fino ad ora, la disposizione spaziale di questi singlet era stata dedotta solo indirettamente attraverso tecniche spettroscopiche.

La maggior parte degli studi precedenti si sono concentrati sul composto genitore non dopato o su campioni che sono già diventati superconduttori. Mentre i ricercatori continuavano ad aumentare il numero di fori nei loro campioni di CCOC, hanno osservato una trasformazione affascinante. Queste entità mostravano proprietà elettroniche uniche, tra cui orbitali molecolari a strisce e una disposizione spaziale distintiva.

La comprensione della dinamica del doping di buchi nei cuprati potrebbe portare a progressi nella progettazione dei materiali, potenzialmente consentendo la creazione di superconduttori che operano a temperature ancora più elevate. Tale progresso avrebbe applicazioni trasformative nella trasmissione di energia, nella levitazione magnetica e nel calcolo quantistico. In futuro, il team di ricerca prevede di esplorare come queste molecole elettroniche si evolvono ulteriormente man mano che i livelli di doping si avvicinano alla fase superconduttrice.