Prando, Giacomo
Phase diagrams of REFeAsO1-xFx materials : macroscopic and nanoscopic experimental investigation [Tesi di dottorato]
Università degli studi Roma Tre, 2012-03-09

La scoperta della superconduttività ad alta temperatura critica in materiali contenenti Fe risale al Febbraio 2008 quando H. Hosono e i suoi collaboratori pubblicarono incontrovertibili evidenze sperimentali di una transizione superconduttiva nell’ossi-pnictide LaFeAsO1?xFx con forte dipendenza della temperatura critica Tc dalla concentrazione x (con il valore massimo di 26 K raggiunto, in particolare, per x 0.1). In seguito a questa importante scoperta, una febbrile attività di ricerca a livello mondiale ha permesso di sintetizzare nuovi composti superconduttori a base di Fe, strutturalmente simili a LaFeAsO1?xFx, con temperature critiche Tc relativamente elevate. In tutti i composti finora individuati ed esaminati, gli ioni di Fe risultano essere disposti su reticoli quadrati bi-dimensionali. Ogni piano di Fe, a sua volta, è contenuto da due analoghi piani composti da un elemento pnictide Pn (da cui il nome generale alla classe di composti), tipicamente As, in modo tale che ogni ione di Fe si collochi al centro di un tetraedro distorto ai cui vertici si trovano gli ioni Pn. Gli elementi strutturali risultanti (tri-layers) sono sovrapposti tra loro a formare un reticolo cristallino dalle proprietà planari fortemente anisotrope. Le stesse caratteristiche sono proprie anche della classe di composti calcogenidi dove, tipicamente, l’elemento Se sostituisce completamente As. La marcata anisotropia planare richiama da vicino le simili proprietà caratterizzanti i composti cuprati, anche se le analogie tra queste due classi di superconduttori ad alta Tc si estendono ben oltre quelle strutturali. La successiva scoperta di valori di Tc prossimi a 55 K in SmFeAsO1?xFx per particolari valori di x ha stimolato ulteriore interesse per questi materiali anche in vista del loro possibile impiego per applicazioni tecnologiche. Allo stato attuale della ricerca sui pnictidi a base di Fe si può quindi affermare senza dubbio alcuno che la loro scoperta sia stata una delle rivoluzioni più importanti nell’ambito della fisica dello stato solido negli ultimi anni, insieme al costante sviluppo nella ricerca sul grafene e sui composti di C a bassa dimensionalità. La mia attività di ricerca legata al Dottorato è incominciata nel Novembre 2008, a pochi mesi di distanza dalla pubblicazione dell’articolo originale di H. Hosono (e collaboratori), ed è stata quasi interamente concentrata sull’analisi delle proprietà magnetiche dei materiali REFeAsO1?xFx attraverso tecniche sperimentali di natura sia macroscopica sia locale. Diverse ragioni hanno favorito la scelta della famiglia di composti REFeAsO1?xFx rispetto ad altre classi di pnictidi o di calcogenidi, nonostante i problemi tuttora associati con la sintesi chimica di tali composti e l’attuale impossibilità di crescere singoli cristalli di dimensioni ragionevoli per compiere sistematiche investigazioni sperimentali. Prima tra tutte, la classe di materiali REFeAsO1?xFx detiene attualmente il record del massimo valore di Tc 55 K tra tutti gli altri superconduttori a base di Fe e tale valore è superato solo da composti cuprati come, ad esempio, YBa2Cu3O7? . Le correlazioni magnetiche ed elettroniche, d’altra parte, sembrano giocare un ruolo cruciale nel governare le proprietà fisiche di tali sistemi. Analogamente a quanto osservato nei superconduttori a base di Cu, infatti, la superconduzione ha origine in prossimità della soppressione di una fase antiferromagnetica. Questo dato empirico dà adito alla possibilità di confermare la correttezza di teorie relative a meccanismi non convenzionali (non BCS) di accoppiamento bosonico tra i superportatori, la cui natura risulta essere di origine magnetica e, in particolare, da ricercarsi nelle fluttuazioni di spin. Va del resto notato come questo argomento sia tuttora altamente dibattuto e tutt’altro che assodato, principalmente a causa di dati sperimentali relativi a effetti isotopici che sembrano non escludere completamente un ruolo - anche se parziale - del reticolo cristallino nel meccanismo di accoppiamento bosonico. Allo stesso tempo, numerosi articoli riportano dati sperimentali (ottenuti mediante diverse tecniche sperimentali) comprovanti la presenza di due gap superconduttivi con una dipendenza tipo BCS dalla temperatura, uno scenario simile a quanto proposto per un altro superconduttore di recente scoperta, il di-boruro di magnesio MgB2. Infine, indipendentemente dalla comparsa di superconduttività ad alta temperatura critica, la classe di composti REFeAsO1?xFx attrae grande attenzione e interesse grazie alla presenza di ioni di terra rara (RE) con shell elettroniche f incomplete in forte interazione con gli orbitali d dei piani FeAs. Tali meccanismi di ibridizzazione f - d risultano in interessanti fenomenologie ed effetti a multi-corpi come lo schermaggio Kondo o fasi heavy-fermion. La ricca varietà di possibili ground-states fa quindi dei composti REFeAsO1?xFx un terreno particolarmente fertile allo scopo di verificare preesistenti teorie relative alla superconduttività non-convenzionale e, possibilmente, fornire nuovi indizi utili alla risoluzione di problemi attualmente irrisolti nella fisica dei sistemi fortemente correlati. Nella mia Tesi di Dottorato “Phase Diagrams of REFeAsO1?xFx Materials: Macroscopic and Nanoscopic Experimental Investigation” sono presentati i risultati più importanti della mia attività di ricerca in merito ai composti della famiglia REFeAsO1?xFx. Il testo riguarda l’esame sperimentale delle proprietà magnetiche di tali composti nelle regioni principali del relativo diagramma di fase: la fase magnetica e quella superconduttiva. L’intero diagramma di fase e le corrisponenti diverse proprietà dei ground-states vengono tipicamente esplorati sfruttando la loro forte dipendenza dal parametro x che, in ultima analisi, quantifica l’entità di drogaggio di carica nei piani FeAs. Gli argomenti affrontati sono stati separati in due categorie nella Tesi, ognuna delle quali è idealmente relativa a una delle due già citate regioni del diagramma di fase e, corrispondentemente, alle caratteristiche delle tecniche sperimentali utilizzate (di natura macroscopica e microscopica nell’esame delle regioni superconduttiva e magnetica del diagramma di fase, rispettivamente). Tale distinzione ha, come base fisica, l’impossibilità di esplorare le caratteristiche della fase superconduttiva da un punto di vista microscopico a causa della presenza di forti campi magnetici locali principalmente associati ai momenti magnetici localizzati sugli ioni di terra rara. Nei primi due capitoli della Tesi, quindi, la fase superconduttiva viene descritta da un punto di vista macroscopico attraverso esperimenti di magnetizzazione statica e suscettività dinamica. Negli ultimi tre capitoli, invece, tecniche a sonda locale come la spettroscopia muonica e la risonanza magnetica nucleare vengono impiegate per descrivere le caratteristiche principali della fase magnetica di onda di densità di spin a piccoli valori di drogaggio elettronico. L’esame delle caratteristiche macroscopiche della fase superconduttiva mette in evidenza interessanti analogie tra la famiglia di composti REFeAsO1?xFx e i materiali cuprati più rappresentativi. In entrambi i casi, la struttura cristallina anisotropa favorisce la comparsa di proprietà anisotrope anche per la fase superconduttiva stessa. Le temperature critiche Tc sono molto più elevate rispetto a quanto tipicamente osservato, ad esempio, nel caso di superconduttori metallici o nelle leghe a base di Nb e in particolare, come già accennato precedentemente, un meccanismo fononico di accoppiamento bosonico tra i superportatori non può da solo giustificare la coerenza quantistica di fase a temperature così elevate. La fase superconduttiva è quindi conservata fino a temperature relativamente elevate (T B Tc) e questa circostanza rende plausibile assumere che le fluttuazioni termiche giochino un ruolo cruciale nel governare la fisica dei sistemi considerati in un’estesa regione del diagramma di fase campo - temperatura. Questo scenario è perfettamente in accordo con i dati sperimentali, come chiaramente dimostrato dai risultati riassunti nei capitoli 1 e 2. Da un lato, la comparsa di particolari fluttuazioni della fase del parametro d’ordine per T C Tc e a deboli valori di campi magnetici applicati viene descritta nel capitolo 1 relativamente al campione optimally-doped SmFeAsO0.8F0.2. Il modello utilizzato per la descrizione dei dati è compatibile con la generazione di regioni superconduttive stabili (con modulo del parametro d’ordine fisso e non nullo ma in assenza di mutua coerenza di fase) già per temperature maggiori di Tc. Tale fenomeno osservato in SmFeAsO0.8F0.2 risulta soppresso da campi magnetici più elevati di ?0H 1 T mentre le canoniche fluttuazioni superconduttive relative al parametro d’ordine (formalismo di Ginzburg-Landau) risultano non alterate a campi magnetici elevati. La persistenza delle fluttuazioni di Ginzburg-Landau successiva alla soppressione di quelle di fase è un risultato innovativo, dedotto grazie all’applicazione di argomentazioni di scaling. I risultati sono stati pubblicati in [Pra10b] e [Pra11b]. Sia nei cuprati sia nei pnictidi, inoltre, gli elevati valori di lunghezza di penetrazione e i piccoli valori di lunghezza di coerenza fanno sì che un’estesa regione del diagramma di fase campo - temperatura sia occupata dalla cosiddetta fase mista (superconduttività di tipo II). In tali circostanze, un campo magnetico applicato esternamente penetra all’interno del materiale anche in presenza di una fase superconduttiva termodinamicamente robusta sotto forma di piccoli filamenti (chiamati vortici e caratterizzati ciascuno da un’unità quantizzata 0 di flusso di campo magnetico al loro interno). La compresenza di fluttuazioni termiche e di meccanismi di pinning (o ancoraggio) atomico delle

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Carretta, Pietro


Tesi di dottorato. | Lingua: en. | Paese: | BID: TD18016868