Non-equilibrium phase diagram of Bi2 Sr2 Y0.08 Ca0.92 Cu2 O8+? cuprate superconductors revealed by ultrafast optical spectroscopy

La superconduttività  nei superconduttori ad alta temperature critica basati su ossidi di Rame (noti anche come cuprati), a partire dalla propria scoperta (risalente al 1986), ha stimolato una mole senza precedenti di sforzi teorici e sperimentali. Ad oggi, diversi aspetti rimangono senza risposta. Tra questi ਠpossibile citare: i) la natura della †˜glue' che porta alla formazione delle coppie di Cooper; ii) la natura della pseudo gap; iii) la natura dell'interplay tra fenomeni a scale di energia molto diverse (quella del condensato e quella legata a stati Rame-Ossigeno ad alta (~1 eV) energia). Nel mio progetto di Dottorato ho affrontato questi problemi con una tecnica innovativa, completamente ottica, risolta in tempo: la spettroscopia risolta in tempo. Lo sviluppo di questa nuova tecnica spettroscopica ਠstato affrontato durante la prima parte del progetto di ricerca. Attraverso impulsi di luce ultracorti (<100 fs) e ad ampio contenuto spettrale (complessivamente, il range spettrale compreso tra 500 e 2500 nm ਠstato analizzato), ਠstata studiata l'evoluzione temporale della funzione dielettrica di campioni superconduttivi di Y-Bi2212 (Bi2Sr2Y0.08Ca0.92CuO8+?), portati in una condizione di †˜fuori-equilibrio' mediante un impulso di pompa. I campioni analizzati coprono diversi livelli di doping (under doping, optimally doping, overdoping). Una debole eccitazione dei campioni assicura che soltanto la risposta intrinseca di ciascuna delle fasi rilevanti del sistema (stato normale, pseudo gap, stato superconduttivo) sia analizzata. Facendo uso di un modello basato su una funzione dielettrica differenziale, e grazie all'ampio intervallo spettrale analizzato, ਠstato possibile associare senza ambiguità  una origine fisica ai segnali ottici risolti in tempo. In particolare, l'analisi della riflettività  transiente misurata a temperatura ambiente (T=300 K), effettuata simultaneamente nei domini del tempo (con un modello a quattro temperature) e delle frequenze (con un modello †˜Extended Drude'), ha permesso di concludere che il pairing nei cuprati superconduttori ਠprincipalmente di natura elettronica. Ovvero, che le eccitazioni bosoniche di origine elettronica (di cui sono possibili candidati fluttuazioni antiferromagnetiche di spin oppure correnti circolanti) sono i fattori pi๠importanti per la formazione dello stato superconduttivo ad alta temperatura critica in sistemi basati su ossidi di Rame. Nella regione di pseudo gap, le evidenze sperimentali indicano uno scenario in cui l'accoppiamento elettrone-bosone acquista una dipendenza dalla temperatura, a causa della comparsa di un nuovo modo di eccitazione. Questo fatto suggerisce che la pseudogap sia una vera fase termodinamica della materia. Molti sforzi sono stati dedicati allo studio delle proprietà  ottiche fuori equilibrio nella fase superconduttiva. La comparsa dello stato superconduttivo ਠaccompagnato da una forte modificazione di stati Rame-Ossigeno ad alta energia, coinvolti in transizioni ottiche ad 1.5 e 2 eV. Questa osservazione ਠin accordo, e conferma, evidenze sperimentali precedenti, riguardanti un interplay tra la fisica del condensato superconduttivo e la fisica degli stati ad alta energia, inteso come un trasferimento di peso spettrale tra queste due regioni, che avviene attraverso la transizione nello stato superconduttivo. L'alta sensibilità  della tecnica risolta in tempo, rispetto alle spettroscopie convenzionali all'equilibrio, ha permesso di dimostrare senza ambiguità  che l'intero trasferimento di peso spettrale evidenziato dalla spettroscopia ottica all'equilibrio ਠdovuto ad una modificazione di due transizioni ottiche, ad 1.5 e 2 eV. La variazione di energia cinetica associata al trasferimento di peso spettrale cambia segno in prossimità  del livello di doping ottimale, necessario ad ottenere la massima temperatura critica del materiale. Ciಠsuggerisce che la superconduttività  sia guidata da meccanismi diversi, nelle regioni di under- ed over- doping del diagramma delle fasi di un superconduttore basato su ossidi di Rame. Attraverso la razionalizzazione delle evidenze sperimentali ottenute attraverso la spettroscopia ottica risolta in tempo, applicata a materiali underdoped, optimally doped ed underdoped, e nelle fasi normale, di pseudogap e superconduttiva, ਠstato possibile formulare un diagramma delle fasi per il materiale Y-Bi2212, interamente basato su evidenze derivanti da una tecnica ottica fuori equilibrio. Tale diagramma delle fasi ਠgovernato da un punto critico quantistico che si trova a T=0, all'interno del dome superconduttivo. La †˜critical line' di questo diagramma delle fasi delimita una regione di spazio delle fasi Doping-Temperatura nella quale l'accoppiamento elettrone-bosone acquista una dipendenza dalla temperatura.