Heterogeneous superconductivity emerging from a charge-stripe state in kagome lattices

Nel mondo della scienza dei materiali, gli elettroni seguono solitamente un copione prevedibile. Scorrono attraverso i metalli come l'acqua in un fiume, o si accoppiano e si muovono in perfetto sincronismo per creare la superconduttività, uno stato in cui l'elettricità fluisce con resistenza zero. Per decenni, i fisici hanno creduto che la superconduttività e un altro stato elettronico chiamato onda di densità di carica fossero nemici naturali. Un'onda di densità di carica è un modello in cui gli elettroni si dispongono in increspature statiche, congelandosi in una struttura rigida. La vecchia regola era semplice: se gli elettroni sono impegnati a formare queste increspature, non possono accoppiarsi per supercondurre, e viceversa. Essi competono per gli stessi elettroni, e un ordine solitamente vince, espellendo l'altro. Tuttavia, scoperte recenti hanno dimostrato che la natura è più complicata di questa semplice rivalità. In alcuni materiali, questi due stati possono coesistere e la loro interazione può creare comportamenti del tutto nuovi e inaspettati che sfidano la nostra comprensione di come la materia funzioni a livello quantistico.

I ricercatori hanno ora scoperto un esempio sorprendente di questa complessità in una famiglia di cristalli noti come superconduttori kagome. Questi materiali prendono il nome dalla loro struttura interna, che ricorda un motivo a cesto intrecciato fatto di triangoli. Sostituendo con cura una piccola quantità di atomi di stagno alcuni degli atomi di antimonio nel cristallo, un team di scienziati guidato da ricercatori della University of Science and Technology of China ha osservato un drastico cambiamento nel modo in cui il materiale si comporta. Hanno scoperto che quando il cristallo entra in una fase specifica in cui gli elettroni formano modelli a strisce brevi, la superconduttività non scompare semplicemente o si indebolisce in modo uniforme. Invece, diventa un mosaico. In questo stato, la superconduttività emerge in piccole isole isolate che crescono e infine si connettono per formare un percorso attraverso il materiale, mentre una parte significativa degli elettroni rimane non accoppiata e normale, anche profondamente all'interno dello stato superconduttore.

Il viaggio verso questa scoperta è iniziato con la crescita di cristalli di alta qualità del materiale, un composto chiamato $\text{CsV}_3\text{Sb}_5$, e la sostituzione sistematica di una piccola frazione dei suoi atomi con lo stagno. Gli scienziati hanno mappato come il materiale cambiava all'aumentare della quantità di stagno. Hanno scoperto che, in un punto molto specifico, quando circa il sette per cento degli atomi di antimonio veniva sostituito, la natura dei modelli elettronici cambiava bruscamente. Prima di questo punto, gli elettroni formavano un grande modello ripetitivo attraverso l'intero cristallo. Appena dopo questo punto, il modello si rompeva in brevi strisce localizzate. Coincidendo con questo cambiamento, la temperatura alla quale il materiale diventava un superconduttore scendeva bruscamente. Ma la scoperta più sorprendente non era solo il calo di temperatura, ma il modo strano in cui la superconduttività si comportava in questa nuova fase a strisce.

Quando i ricercatori hanno misurato la resistenza elettrica e le proprietà magnetiche di questi campioni in fase a strisce, hanno visto una chiara discrepanza. Il materiale iniziava a mostrare segni di superconduttività, come il respingere i campi magnetici, a una temperatura molto più alta di quella alla quale iniziava effettivamente a condurre elettricità con resistenza zero. Questo divario suggeriva che la superconduttività non stesse accadendo ovunque contemporaneamente. Invece, piccole sacche di materiale superconduttore si stavano formando precocemente, fluttuando in un mare di metallo normale, non superconduttore. Man mano che la temperatura scendeva ulteriormente, queste sacche crescevano e infine si collegavano, come isole che si fondono in un continente, permettendo all'elettricità di fluire liberamente attraverso l'intero campione. Questo processo, noto come percolazione, spiegava perché la transizione fosse così ampia e perché il materiale si comportasse diversamente a seconda di come la corrente veniva spinta attraverso di esso.

Per vedere direttamente questo mosaico, i ricercatori hanno utilizzato un potente microscopio, un microscopio a scansione a effetto tunnel, che può immagini singoli atomi e misurare l'energia degli elettroni in punti specifici. Hanno scoperto che la dimensione del gap superconduttore — l'intervallo di energia in cui gli elettroni sono bloccati in coppie — variava significativamente da un punto all'altro sulla superficie del cristallo. In alcune aree, il gap era grande e ben definito; in altre, era più piccolo e sfumato. Fondamentalmente, questa variazione non corrispondeva alla distribuzione degli atomi di stagno. Gli atomi di stagno erano distribuiti uniformemente, quindi l'irregolarità della superconduttività non era causata dalle impurità stesse. Invece, la variazione era legata alle strisce elettroniche a corto raggio. Il microscopio ha rivelato che gli elettroni venivano dispersi da queste strisce in un modo che rompeva le coppie superconduttrici, ma solo in determinate regioni, creando un paesaggio di superconduttività forte e debole.

Forse l'aspetto più enigmatico di questo stato era la presenza di un gran numero di elettroni non accoppiati, o "fluido normale", anche quando il materiale era superconduttore. In un tipico superconduttore, quasi tutti gli elettroni si accoppiano al di sotto di una certa temperatura. Qui, tuttavia, le misurazioni hanno mostrato che una frazione sostanziale di elettroni, circa un terzo o due terzi a seconda del campione, rimaneva non accoppiata e attiva anche alle temperature più basse. Questi elettroni non accoppiati non erano solo residui casuali; erano concentrati su percorsi specifici all'interno della struttura elettronica del materiale che erano direttamente collegati ai modelli a strisce. I ricercatori hanno concluso che le strisce a corto raggio stavano agendo come una fonte di forte scattering, rompendo le coppie di elettroni in un modo che è proibito nei superconduttori convenzionali, ma che è un segno distintivo di un tipo più esotico di accoppiamento dove il segno dell'onda elettronica cambia.

Lo studio esclude diverse spiegazioni più semplici per questo comportamento. L'irregolarità della superconduttività non era causata dall'aggregazione degli atomi di stagno o dalla tensione nel reticolo cristallino, poiché la distribuzione dello stagno era uniforme e l'effetto svaniva quando il modello a strisce scompariva. Non si trattava nemmeno di un caso in cui il materiale si separava semplicemente in due fasi distinte di superconduttore e metallo. Invece, le prove puntano a un unico stato unificato in cui la superconduttività è intrinsecamente fragile e spazialmente variabile a causa della sua interazione con le strisce di carica. Questa scoperta suggerisce che gli elettroni in questi materiali kagome stiano formando coppie in un modo complesso e non convenzionale, coinvolgendo probabilmente un cambiamento del segno della loro funzione d'onda quantistica, il che li rende altamente sensibili alla presenza delle strisce.

Questo lavoro fornisce uno sguardo raro su uno stato della materia in cui la superconduttività e l'ordine di carica non si limitano a competere, ma cooperano per creare una realtà eterogenea e a mosaico. Sfida la visione di lunga data secondo cui la superconduttività debba essere uno stato uniforme e "tutto o niente" e mostra che, nelle giuste condizioni, può emergere come una collezione di isole connesse. Identificando questo comportamento unico in un materiale relativamente semplice e ben compreso, i ricercatori hanno aperto una nuova finestra sulla fisica della superconduttività non convenzionale. I loro risultati suggeriscono che l'interazione tra diversi ordini elettronici possa portare a fenomeni ricchi e inaspettati, offrendo una nuova piattaforma per esplorare i meccanismi fondamentali che governano il modo in cui gli elettroni si accoppiano e fluiscono senza resistenza.