Studying local orders in YBa2Cu3O7-x by nanoscale confinement

In 1986 scientists were amazed by the discovery of materials that conducted electricity without any resistance at temperatures much higher than previously thought, an accomplishment awarded the Nobel Prize in Physics already the following year. This led to great excitement and the hope one would be able to design materials that would be ‘superconducting’, as the phenomenon is called, even at room temperature, the holy grail of superconductivity research. The possibility to dispense the use of expensive and cumbersome cooling would indeed revolutionize many technologies like electrified transports, and also lay the foundation for the next generation of green innovations. However, despite intense research, many open questions remain and the mechanism behind high temperature superconductivity still represent a puzzle, far from being fully understood. Recently, the most common idea is that the comprehension of the superconducting mechanism cannot prescind from the understanding of the normal state of these materials. This is also unconventional, and populated by a constellation of local orders, characterized by nanoscale lengths: here, charge, spin, lattice and orbitals have a role, but their entwining and mutual relations are still not fully understood. The core of cuprate high-Tc superconductors (HTS) is represented by the CuO2 planes, where superconductivity sets in and where all the symmetry breaking orders reside. In order to succeed in understanding these fascinating materials, an innovative strategy is to confine the CuO2 planes at the nanoscale in HTS, and to use strain and confinement as a knob to tune the orders both the superconducting and in the normal state. This can be done only if HTS are shrank in thin film form, preserving the bulk quality. In this way, confining the orders on the same scale of their characteristic lengths, one may expect the locality of charge, spin and current orders to be enhanced, possibly simplifying the physics at play. The confinement can be obtained in two ways, either by nanopatterning c-axis oriented HTS thin film, where the CuO2 planes take the shape of the nanostructures, or depositing a-axis oriented HTS nm-thin films, where the CuO2 planes form nanoribbons, constrained on either side by vacuum and the underlying substrate. In this thesis work we have followed both these strategies, using c-axis and a-axis oriented YBa2Cu3O7-x thin films.

Nel 1986 scienziati di tutto il mondo rimasero impressionati dalla scoperta di un materiale in grado di condurre elettricità senza alcun tipo di resistenza a temperature molto più alte di quanto si ritenesse prima possibile, un traguardo che valse il premio Nobel per la fisica già l'anno successivo. Questo portò un gran fermento e la speranza che un giorno si sarebbe stati in grado di produrre materiali 'superconduttivi', come viene definito il fenomeno, anche a temperatura ambiente, il sacro Graal della ricerca sulla superconduttività. La possibilità di fare a meno di costosi e ingombranti sistemi di raffreddamento rivoluzionerebbe infatti molteplici tecnologie come i trasporti a elettricità, e porrebbe le fondamnenta per la futura generazione di tecnologie verdi. Ad ogni modo, nonostante intensa ricerca, rimangono aperti molti interrogativi e il meccanismo che si cela dietro la superconduttività ad alta temperatura critica rimane ancora un puzzle, lontano dall'essere pienamente compreso. Recentemente, l'idea più diffusa è che la comprensione del meccanismo della superconduttività non può prescindere dalla comprensione dello stato normale di questi materiali. Anch'esso è infatti non convenzionale, popolato da una costellazione di ordini locali, caratterizzati da una lunghezza nanometrica: qui entrano in gioco spin, reticolo cristallino e orbitali atomici, ma il discernimento di ogni singolo ruolo e la loro mutua interazione non sono ancora pienamente compresi. Il nucleo dei superconduttori cuprati ad alta temperatura critica è rappresentato dai piani di CuO2, dove si stabilisce la superconduttività e dove risiedono tutti gli ordini che rompono la simmetria del materiale. Al fine di riuscire a comprendere questi affascinanti materiali, una possibile strategia da mettere in atto è quella di confinare i piani di CuO2 alla nanoscala, e usare lo strain e il confinamento come fossero una manopola per regoalre gli ordini sia nello stato superconduttivo che in quello normale. Ciò è possibile solamente se si riesce a comprimere gli HTS (High Temperature Superconductors, Superconduttori ad alta temperatura critica) nella forma di film sottile, conservando le proprietà del bulk. In questa maniera, confinandogli ordini alla stessa scala della loro lunghezza caratteristica, ci si può aspettare che la località degli ordini di corrente, carica e spin siano amplificati, semplificando se possibile la fisica in gioco. Il confinamento può essere ottenuto in due modi, sia attraverso il nanopatterning di film di HTS orientati lungo l'asse c, dove i piani di CuO2 prendono la forma di nanostrutture, sia depositando film di HTS orientati lungo l'asse a, dove i piani di CuO2 formano dei 'nanoribbon' delimitati da un lato dal substrato e dall'altro dal vuoto. In questo lavoro di tesi abbiamo seguito entrambe le strategie, servendoci di film di YBa2Cu3O7-x orientati sia lungo l'asse a che lungo l'asse c.