I det første, forskere ser 2D -vandpytter af elektroner, der spontant dukker op i et 3D -superledende materiale

Oprettelse af et todimensionalt materiale, bare et par atomer tykke, er ofte en besværlig proces, der kræver sofistikeret udstyr. Så forskere blev overraskede over at se 2D-vandpytter dukke op i en tredimensionel superleder-et materiale, der tillader elektroner at rejse med 100% effektivitet og nul modstand-uden at blive bedt om det.

Inden for disse vandpytter, superledende elektroner virkede som om de var indesluttet i en utrolig tynd, arklignende fly, en situation, der kræver, at de på en eller anden måde går over til en anden dimension, hvor forskellige regler for kvantefysik gælder.

"Dette er et pirrende eksempel på fremtrædende adfærd, som ofte er svært eller umuligt at replikere ved at prøve at konstruere det fra bunden, "sagde Hari Manoharan, en professor ved Stanford University og efterforsker ved Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory, der ledede forskningen.

"Det er som om, når man får magten til superledelse, " han sagde, "3D -elektronerne vælger selv at leve i en 2D -verden."

Forskergruppen kalder dette nye fænomen "interdimensionel superledning, "og i en rapport i Procedurer fra National Academy of Sciences i dag, de foreslår, at det er sådan, 3D -superledere reorganiserer sig selv, lige før de pludselig skifter til en isolerende tilstand, hvor elektroner er begrænset til deres hjemmeatomer og slet ikke kan bevæge sig rundt.

"Det, vi fandt, var et system, hvor elektroner opfører sig på uventede måder. Det er fysikkens skønhed, "sagde Carolina Parra, en postdoktor ved SLAC og Stanford på tidspunktet for undersøgelsen, der udførte de eksperimenter, der førte til visualisering af dette spændende resultat. "Vi var meget heldige at finde denne adfærd."

Elektroner virker underligt

Selvom superledning blev opdaget for mere end et århundrede siden, dets anvendelighed var begrænset af det faktum, at materialer kun blev superledende ved temperaturer tæt på dem i dybt rum.

Så meddelelsen i 1986 om, at forskere havde opdaget en ny og uventet klasse af superledende materialer, der fungerede ved meget højere - men stadig meget kolde - temperaturer satte gang i en tsunami af forskning, der fortsætter den dag i dag, med det mål at finde ud af, hvordan de nye materialer fungerer og udvikle versioner, der arbejder tættere på stuetemperatur til applikationer som f.eks. perfekt effektive elledninger og maglev -tog.

Denne undersøgelse startede med en høj temperatur superleder ved navn BPBO for sine fire atomiske ingredienser-barium, at føre, vismut og ilt. Det blev syntetiseret i laboratoriet af Stanford Professor og SIMES-efterforsker Ian Fisher af Paula Giraldo-Gallo, en ph.d. studerende dengang.

Som forskere der satte det igennem rutinemæssige tests, herunder bestemmelse af den overgangstemperatur, hvormed den vender mellem en superledende og en isolerende fase - som vand, der skifter til damp eller is - de indså, at deres data viste, at elektroner opførte sig, som om de var begrænset til ultratynde, 2D lag eller striber i materialet. Dette var et puslespil, fordi BPBO er en 3D -superleder, hvis elektroner normalt er frie til at bevæge sig i enhver retning, de kan lide.

Interesseret, Manoharans team kiggede nærmere på med et scannende tunnelmikroskop, eller STM - et instrument, der kan identificere og endda flytte individuelle atomer i de øverste få atomlag af et materiale.

Interagerende vandpytter

Striberne, de opdagede, syntes ikke at have noget forhold til den måde, materialets atomer var organiseret på eller med små stød og fald på overfladen.

"I stedet, striberne var lag, hvor elektroner opfører sig som om de er begrænset til 2D, pytlignende områder i materialet, "Parra sagde." Afstanden mellem vandpytter er kort nok til, at elektronerne kan 'se' og interagere med hinanden på en måde, der tillader dem at bevæge sig uden modstand, som er kendetegnende for superledning. "

2D -vandpytterne dukkede op, da forskerne omhyggeligt justerede temperaturen og andre forhold mod overgangspunktet, hvor superlederen ville blive en isolator.

Deres observationer matcher tæt en teori om "emergent electronic granularity" i superledere, udviklet af Nandini Trivedi fra Ohio State University og kolleger.

"De forudsigelser, vi havde lavet, gik imod standardparadigmet for superledere, "Sagde Trivedi." Normalt, jo stærkere en superleder er, jo mere energi der er nødvendig for at bryde bindingen mellem dets superledende elektronpar - en faktor vi kalder energigabet. Men min gruppe havde forudsagt, at i denne særlige type uordnede superleder, det modsatte ville være sandt:Systemet ville danne nye vandpytter, hvor superledningen var stærk, men parrene kunne brydes med meget mindre energi end forventet.

"Det var ganske spændende at se disse forudsigelser blive bekræftet af STM -målingerne fra Stanford -gruppen!"

Spredning af videnskaben

Resultaterne har praktiske konsekvenser for fremstilling af 2D -materialer, Sagde Parra.

"De fleste metoder til fremstilling af 2D -materialer er tekniske tilgange, som at dyrke film et par atomlag tykke eller skabe en skarp grænseflade mellem to materialer og begrænse en 2D -tilstand der, "sagde hun." Dette giver en ekstra måde at komme til disse 2D -superledende stater. Det er billigere, du behøver ikke fancy udstyr, der kræver meget lave temperaturer, og det tager ikke dage og uger. Den eneste vanskelige del ville være at få materialets sammensætning til at passe. "

Parra leder nu et laboratorium ved Federico Santa María Technical University i Valparaíso, Chile, med fokus på tværfaglige undersøgelser af nanoskala biologiske materialer. Hun vandt for nylig et tilskud til at erhverve og drive det første lavtemperatur-scannende tunnelmikroskop nogensinde i Sydamerika, som hun planlægger at bruge til at fortsætte denne forskningslinje.

"Når jeg har dette udstyr i laboratoriet, " hun sagde, "Jeg vil forbinde det med alle de ting, jeg lærte i Haris laboratorium og bruge det til at lære en ny generation af forskere, at vi kommer til at arbejde med nanovidenskab og nanoteknologi i Chile."