Proprietà magnetiche degli ossicloruri cuprati superconduttori ad alta temperatura critica studiate tramite oscillatore a diodo tunnel e magnetometria SQUID

The discovery of high-temperature superconductivity in cuprates marked a major milestone in condensed matter physics. These materials, composed of copper oxide (CuO2) layers with strong electronic correlations, are antiferromagnetic insulators in their parent compound but, upon doping, they exhibit superconductivity at relatively high temperatures (for example, 91 K in YBa2Cu3O7−δ). Among cuprates, the Ca2CuO2Cl2 hole-doped by partially replacing calcium with sodium (Na-CCOC) shows a critical temperature reaching 28 K at the optimal doping, characterized by a simple tetragonal I4/mm structure and a strong two-dimensional character. While other cuprates exhibit strong anisotropy in their electronic properties, but in most cases only weak anisotropy in the superconductive ones, Na-CCOC appears to be an extreme case, with particularly pronounced anisotropy in both. If confirmed, this could open the possibility of studying intrinsically two-dimensional superconductivity in a bulk system. The main goal of this study is to investigate the magnetic properties in the superconducting state of Na-CCOC, aiming at a better analysis of such anisotropy and, more generally, of the unconventional nature of superconductivity in this compound. To this end, SQUID magnetometry and high-frequency magnetic susceptibility measurements using a Tunnel Diode Oscillator (TDO) are used. Results confirm the critical temperatures measured as a function of doping: approximately 15.5 K, 21.5 K and 27.5 K for doping levels of 10%, 15% and 18%. Anisotropy in the magnetic properties of the superconducting state is observed across samples, but its real extent remains uncertain. To better understand the nature of superconductivity in Na-CCOC, particular attention is given to temperature dependence of magnetic susceptibility at low temperatures (≪ Tc). The behavior of χ, from which the magnetic penetration depth λ and the superfluid density ρs can be derived, appears more similar to the exponential trend predicted by BCS, rather than the linear dependence typical of d-wave superconductivity in cuprates. In addition, at really low temperatures (1-2 K, varying from samples and doping), an unexpected upturn of the susceptibility is observed, apparently intrinsic to the material. To explore the origin of this anomaly, the magnetic response in the normal state is also examined, revealing a paramagnetic behavior consistent with the Curie-Weiss law. However, the robustness of these findings is insufficient to draw definitive conclusions regarding the magnetic and electronic background and its influence on superconductivity. This study provides a preliminary experimental contribution to the understanding of the magnetic and superconducting properties of Na-CCOC, representing a first step in a broader project, aimed at clarifying these propeties and exploring the potential for intrinsic two-dimensional superconductivity.

La scoperta della superconduttività ad alta temperatura critica nei cuprati ha segnato un punto di svolta nella fisica della materia condensata. Questi materiali, costituiti da strati di ossido di rame (CuO2) caratterizzati da forti correlazioni elettroniche, sono isolanti antiferromagnetici nella loro composizione stechiometrica, ma mostrano superconduttività a temperature relativamente alte (ad esempio, 91 K nel YBa2Cu3O7−δ) se drogati con elettroni o lacune. La complessità del loro diagramma di fase e l’incapacità del modello BCS di spiegare la loro superconduttività rendono i cuprati oggetto di intensa ricerca. Tra i cuprati, il Ca2CuO2Cl2 drogato con lacune, sostituendo parzialmente il calcio con sodio (Na-CCOC), presenta una temperatura critica che raggiunge i 28 K al drogaggio ottimale, è caratterizzato da una semplice struttura tetragonale I4/mmm e da un marcato carattere bidimensionale. Mentre altri cuprati mostrano una forte anisotropia nelle loro proprietà elettroniche, ma nella maggior parte dei casi solo una debole anisotropia in quelle superconduttive, il Na-CCOC sembra essere un caso estremo, con un’anisotropia particolarmente pronunciata in entrambe. Se confermato, ciò potrebbe portare alla possibilità di studiare una superconduttività intrinsecamente bidimensionale in un sistema bulk. L’obiettivo principale di questo studio è investigare le proprietà magnetiche dello stato superconduttivo del Na-CCOC, con l’intento di approfondire l’analisi di tale anisotropia e, più in generale, della natura non convenzionale della superconduttività in questo composto. A tal fine, sono utilizzate tecniche di magnetometria SQUID e di misure di suscettività magnetica ad alta frequenza mediante un Oscillatore a Diodo Tunnel (TDO). I risultati confermano le temperature critiche misurate in funzione del livello di drogaggio: circa 15.5 K, 21.5 Ke27.5Kperundrogaggiodel10%, 15%e18%. L’anisotropiadelle proprietà magnetiche nello stato superconduttivo è osservata in diversi campioni, ma il suo valore effettivo rimane incerto. Per ottenere maggiori informazioni sulla natura della superconduttività in questo composto, particolare attenzione è posta alla variazione della suscettività magnetica a basse temperature (≪ Tc). L’andamento in temperatura di χ, da cui si può ricavare quello della lunghezza di penetrazione magnetica λ e della densità dei portatori superconduttivi ρs, appare più simile a quello esponenziale previsto dalla teoria BCS rispetto al comportamento lineare caratteristico della superconduttività in onda d tipica dei cuprati. Inoltre, a temperature molto basse (1-2 K, a seconda del campione e del drogaggio), si osserva un inaspettato rialzo della suscettività, che sembra intrinseco al materiale. Per capire l’origine di questa anomalia, la risposta magnetica del materiale è investigata anche nel suo stato normale, rivelando un comportamento paramagnetico consistente con la legge di Curie-Weiss. Tuttavia, la robustezza di questi risultati non è sufficiente per trarre conclusioni affidabili sul contributo magnetico ed elettronico del materiale e sul suo ruolo nella superconduttività. Questo studio costituisce un contributo sperimentale preliminare alla comprensione delle proprietà magnetiche e superconduttive del Na-CCOC, rappresentando un primo gradino di un progetto più ampio volto a chiarire tali proprietà e esplorare la possibile superconduttività bidimensionale intrinseca.