Nye spor dukker op i 30 år gammelt superledermysterium

Et af eksperimentel fysiks største mysterier er, hvordan såkaldte højtemperatur-superledende materialer fungerer. På trods af deres navn, højtemperatur-superledere - materialer, der fører elektrisk strøm uden modstand - fungerer ved kølige temperaturer under minus 135 grader Celsius. De kan bruges til at lave supereffektive strømkabler, medicinske MR'er, partikelacceleratorer, og andre enheder. At knække mysteriet om, hvordan disse materialer faktisk fungerer, kan føre til superledende enheder, der fungerer ved stuetemperatur - og kan revolutionere elektriske enheder, herunder bærbare computere og telefoner.

I et nyt papir i bladet Naturfysik , forskere ved Caltech har endelig løst en brik i dette vedvarende puslespil. De har bekræftet, at en overgangsfase af stof kaldet pseudogap - en, der opstår før disse materialer er kølet ned til at blive superledende - repræsenterer en bestemt tilstand af stof, med egenskaber meget forskellige fra den superledende tilstands egenskaber.

Når materien overgår fra én tilstand, eller fase, til en anden - sig, vand fryser til is - der er en ændring i ordensmønsteret for materialernes partikler. Fysikere havde tidligere opdaget antydninger af en eller anden form for orden af ​​elektroner inde i pseudogap-tilstanden. Men præcis, hvordan de bestilte - og om den ordre udgjorde en ny materietilstand - var uklart indtil nu.

"En ejendommelig egenskab ved alle disse højtemperatursuperledere er, at lige før de går ind i den superledende tilstand, de går uvægerligt først ind i pseudogap-tilstanden, hvis oprindelse er lige så om ikke mere mystisk end selve den superledende tilstand, " siger David Hsieh, professor i fysik ved Caltech og hovedforsker af den nye forskning. "Vi har opdaget, at i pseudogap-staten, elektroner danner et meget usædvanligt mønster, der bryder næsten alle rummets symmetrier. Dette giver et meget overbevisende fingerpeg om den faktiske oprindelse af pseudogap-tilstanden og kan føre til en ny forståelse af, hvordan højtemperatur-superledere fungerer."

Fænomenet superledning blev først opdaget i 1911. Når visse materialer nedkøles til superkolde temperaturer, så lavt som et par grader over det absolutte nulpunkt (et par grader Kelvin), de fører elektrisk strøm uden modstand, så ingen varme eller energi går tabt. I modsætning, vores bærbare computere er ikke lavet af superledende materialer og oplever derfor elektrisk modstand og varme op.

Afkøling af materialer til så ekstremt lave temperaturer kræver flydende helium. Imidlertid, fordi flydende helium er sjældent og dyrt, fysikere har ledt efter materialer, der kan fungere som superledere ved stadigt højere temperaturer. De såkaldte højtemperatur-superledere, opdaget i 1986, er nu kendt for at fungere ved temperaturer op til 138 Kelvin (minus 135 grader Celsius) og kan således afkøles med flydende nitrogen, hvilket er mere overkommeligt end flydende helium. Spørgsmålet, der har undgået fysikere, dog - på trods af tre nobelpriser til dato, der er uddelt inden for superledningsevne - er det præcis, hvordan superledere ved høje temperaturer fungerer.

Superledende elektroners dans

Materialer bliver superledende, når elektroner overvinder deres naturlige frastødning og danner par. Denne parring kan forekomme under ekstremt kolde temperaturer, tillader elektronerne, og de elektriske strømme, de bærer, at bevæge sig ubehæftet. I konventionelle superledere, elektronparring er forårsaget af naturlige vibrationer i krystalgitteret af det superledende materiale, som fungerer som lim for at holde parrene sammen.

Men i højtemperatur superledere, denne form for "lim" er ikke stærk nok til at binde elektronparrene. Forskere mener, at pseudogap, og hvordan elektroner ordner sig selv i denne fase, har fingerpeg om, hvad denne lim kan udgøre for højtemperatur-superledere. For at studere elektronorden i pseudogap, Hsieh og hans team har opfundet en ny laserbaseret metode kaldet ikke-lineær optisk rotationsanisotropi. I metoden en laser peger på det superledende materiale; I dette tilfælde, krystaller af yttrium barium kobberoxid (YBa2Cu3Oy). En analyse af lyset, der reflekteres tilbage ved halvdelen af ​​bølgelængden sammenlignet med det, der går ind, afslører enhver symmetri i arrangementet af elektronerne i krystallerne.

Brudte symmetrier peger på en ny fase

Forskellige faser af stof har forskellige symmetrier. For eksempel, når vand bliver til is, fysikere siger, at symmetrien er blevet "brudt".

"I vand, "Hsieh forklarer, "H2O-molekylerne er ret tilfældigt orienterede. Hvis du svømmede i en uendelig pool af vand, dine omgivelser ser ens ud, uanset hvor du er. i is, på den anden side, H2O-molekylerne danner et regulært periodisk netværk, så hvis du forestiller dig dig selv nedsænket i en uendelig isblok, dine omgivelser fremstår forskellige alt efter om du sidder på et H- eller O-atom. Derfor, vi siger, at rummets translationelle symmetri er brudt ved at gå fra vand til is."

Med det nye værktøj, Hsiehs team var i stand til at vise, at elektronerne afkølet til pseudogap-fasen brød et specifikt sæt af rumlige symmetrier kaldet inversion og rotationssymmetri. "Så snart systemet kom ind i pseudogap-regionen, enten som funktion af temperatur eller mængden af ​​oxygen i forbindelsen, der var et tab af inversion og rotationssymmetri, tydeligt indikerer en overgang til en ny fase af stof, " siger Liuyan Zhao, en postdoktor i Hsieh-laboratoriet og hovedforfatter af det nye studie. "Det er spændende, at vi bruger en ny teknologi til at løse et gammelt problem."

"Opdagelsen af ​​brudte inversioner og rotationssymmetrier i pseudogapet indsnævrer drastisk sættet af muligheder for, hvordan elektronerne er selvorganiserende i denne fase, " siger Hsieh. "På nogle måder, denne usædvanlige fase kan vise sig at være det mest interessante aspekt af disse superledende materialer."

Med en brik af puslespillet løst, forskerne går videre til det næste. De ønsker at vide, hvilken rolle denne bestilling af elektroner i pseudogap spiller ved at inducere superledning ved høje temperaturer - og hvordan man får det til at ske ved endnu højere temperaturer.