Afslører skjult spin:Låser nye veje op mod højtemperatursuperledere

I 1980'erne, opdagelsen af ​​høj-temperatur superledere kendt som cuprates støttede en udbredt teori om, at superledermaterialer kun bærer elektrisk strøm uden modstand ved meget lave temperaturer på omkring 30 Kelvin (eller minus 406 grader Fahrenheit). I årtier siden, forskere er blevet mystificerede af nogle kuprates evne til at superledere ved temperaturer på mere end 100 Kelvin (minus 280 grader Fahrenheit).

Nu, forskere ved det amerikanske energiministerium Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har afsløret et fingerpeg om cupraternes usædvanlige egenskaber - og svaret ligger inden for en uventet kilde:elektron -spin. Deres papir, der beskriver forskningen bag denne opdagelse, blev offentliggjort den 13. december i tidsskriftet Videnskab .

Tilføjelse af elektronspin til ligningen

Hver elektron er som en lille magnet, der peger i en bestemt retning. Og elektroner inden for de fleste superledermaterialer ser ud til at følge deres eget indre kompas. I stedet for at pege i samme retning, deres elektrondrejninger peger tilfældigt alle veje - nogle op, nogle ned, andre til venstre eller højre.

Når forskere udvikler nye slags materialer, de ser normalt på materialernes elektron -spin, eller i hvilken retning elektronerne peger. Men når det kommer til at lave superledere, kondenseret stof fysikere har ikke traditionelt fokuseret på spin, fordi den konventionelle holdning var, at alle de egenskaber, der gør disse materialer unikke, kun blev formet af den måde, hvorpå to elektroner interagerer med hinanden gennem det, der er kendt som "elektronkorrelation".

Men da et forskerhold ledet af Alessandra Lanzara, en fakultetsforsker i Berkeley Labs Materials Sciences Division og en Charles Kittel professor i fysik ved UC Berkeley, brugte en unik detektor til at måle prøver af en eksotisk cuprate superleder, Bi-2212 (bismut strontium calciumkobberoxid), med en kraftfuld teknik kaldet SARPES (spin- og vinkelopløst fotoemissionsspektroskopi), de afslørede noget, der trodsede alt, hvad de nogensinde havde vidst om superledere:et tydeligt mønster af elektronspin i materialet.

"Med andre ord, vi opdagede, at der var en veldefineret retning, som hver elektron pegede i givet dens momentum, en ejendom også kendt som spin-momentum locking, "sagde Lanzara." At finde det i superledere ved høj temperatur var en stor overraskelse. "

Et nyt kort for højtemperatursuperledere

I superledernes verden, "høj temperatur" betyder, at materialet kan lede elektricitet uden modstand ved temperaturer højere end forventet, men stadig i ekstremt kolde temperaturer langt under nul grader Fahrenheit. Det er fordi superledere skal være ekstraordinært kolde for at transportere elektricitet uden modstand. Ved de lave temperaturer, elektroner er i stand til at bevæge sig synkront med hinanden og ikke blive slået af jiggling atomer, forårsager elektrisk modstand.

Og inden for denne særlige klasse af høj temperatur superleder materialer, cuprates er nogle af de bedste kunstnere, får nogle forskere til at tro, at de kan bruges som et nyt materiale til at bygge supereffektive elektriske ledninger, der kan bære strøm uden tab af elektronmoment, sagde co-lead forfatter Kenneth Gotlieb, der var ph.d. studerende i Lanzaras laboratorium på tidspunktet for opdagelsen. At forstå, hvad der får nogle eksotiske cuprate-superledere som Bi-2212 til at arbejde ved temperaturer så høje som 133 Kelvin (ca. -220 grader Fahrenheit), kunne gøre det lettere at realisere en praktisk enhed.

Blandt de meget eksotiske materialer, som kondenseret fysik studerer, der er to slags elektroninteraktioner, der giver anledning til nye egenskaber for nye materialer, herunder superledere, sagde Gotlieb. Forskere, der har studeret cuprate superledere, har fokuseret på kun en af ​​disse interaktioner:elektronkorrelation.

Den anden form for elektroninteraktion, der findes i eksotiske materialer, er "spin-orbit-kobling-den måde, hvorpå elektronens magnetiske moment interagerer med atomer i materialet.

Spin-kredsløbskobling blev ofte negligeret i undersøgelserne af cuprate superledere, fordi mange antog, at denne form for elektroninteraktion ville være svag sammenlignet med elektronkorrelation, sagde medlederforfatter Chiu-Yun Lin, en forsker i laboratoriets afdeling for materialevidenskab og en ph.d. studerende ved Institut for Fysik ved UC Berkeley. Så da de fandt det usædvanlige spin -mønster, Lin sagde, at selvom de var positivt overrasket over dette første fund, de var stadig ikke sikre på, om det var en "ægte" iboende egenskab ved Bi-2212-materialet, eller en ekstern effekt forårsaget af den måde, hvorpå laserlyset interagerede med materialet i forsøget.

Lyser på elektron -spin med SARPES

I løbet af næsten tre år, Gotlieb og Lin brugte SARPES -detektoren til grundigt at kortlægge spin -mønsteret på Lanzaras laboratorium. Når de havde brug for højere fotonenergier for at excitere et bredere udvalg af elektroner i en prøve, forskerne flyttede detektoren ved siden af ​​til Berkeley Labs synkrotron, den avancerede lyskilde (ALS), en US DOE Office of Science User Facility, der er specialiseret i lavere energi, "blødt" røntgenlys til undersøgelse af materialers egenskaber.

SARPES -detektoren blev udviklet af Lanzara, sammen med medforfattere Zahid Hussain, den tidligere ALS -divisionens stedfortræder, og Chris Jozwiak, en ALS-medarbejder. Detektoren tillod forskerne at undersøge nøgleelektroniske egenskaber ved elektronerne, såsom valensbåndsstruktur.

Efter snesevis af eksperimenter på ALS, hvor forskergruppen forbandt SARPES -detektoren med Beamline 10.0.1, så de kunne få adgang til dette kraftfulde lys for at udforske elektronernes drejning med meget højere momentum gennem superlederen end dem, de kunne få adgang til i laboratoriet, de fandt ud af, at Bi-2212's særskilte centrifugeringsmønster-kaldet "spin uden nul-var et sandt resultat, inspirere dem til at stille endnu flere spørgsmål. "Der er mange uafklarede spørgsmål inden for høj temperatur superledning, "sagde Lin." Vores arbejde giver ny viden for bedre at forstå cuprate superledere, som kan være en byggesten til at løse disse spørgsmål."

Lanzara tilføjede, at deres opdagelse ikke kunne være sket uden Berkeley Labs samarbejdende "teamvidenskab", et nationalt DOE -laboratorium med historiske forbindelser til nærliggende UC Berkeley. "Dette arbejde er et typisk eksempel på, hvor videnskab kan gå hen, når mennesker med ekspertise på tværs af de videnskabelige discipliner kommer sammen, og hvordan ny instrumentering kan skubbe grænserne for videnskab, " hun sagde.