Overraskende striber i et dårligt metal giver spor til høj temperatur superledning

Højtemperatur superledning giver perfekt transport af elektricitet, men det gør det til prisen for ekstrem kulde og en evigt undvigende mekanisme. Hvis forstået, forskere kan skubbe supraledning ind i varmere temperaturer og radikalt forbedre elnet, forbrugerelektronik, og mere - men puslespillet har vedvaret i mere end 30 år.

Nu, forskere har brudt ny grund ved at nærme sig fra en kontra-intuitiv vinkel:sondering af såkaldte "dårlige metaller", der leder el dårligt. Forskerne fandt ud af, at "striber" af elektronisk ladning, som kan spille en central rolle i superledelse, vedvarer over overraskende høje temperaturer, form konduktivitet, og har retningsafhængige egenskaber.

Resultaterne, som undersøgte modelsystemet for specialfremstillede nikkeloxidmaterialer, blev offentliggjort 28. april i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve .

"Dette er et skridt på vejen til at løse mekanismen for høj temperatur superledningsevne og ladningsstribernes komplekse rolle, "sagde Ruidan Zhong, hovedforfatter af undersøgelsen og en ph.d. -studerende ved Stony Brook University. "Vi tog snapshots af dynamiske striber, der svingede i en flydende fase, hvor de har frihed til at justere og periodisk tillade strøm af elektricitet. "

Samarbejdet brugte Spallation Neutron Source ved US Department of Energy's (DOE) Oak Ridge National Laboratory til at måle striberne.

"Vi har studeret stribeordre i to årtier, og Oak Ridge -instrumenterne er perfekte til at udforske nyt territorium, "sagde medforfatter John Tranquada, en fysiker ved DOE's Brookhaven National Laboratory. "Det signal, vi ledte efter, var meget svagt, og blev begravet i en jungle af meget stærkere signaler - men vi fandt det. "

Bombardere lidt alkymi

I årtier har forskere været i stand til at tage visse kobberoxid (cuprat) isolatorer-hvilket betyder, at de ikke leder elektricitet-og erstatte atomer for at justere elektronindholdet og derefter fremkalde superledning ved kolde temperaturer. Selvom striber sandsynligvis spiller en væsentlig rolle, deres tilstedeværelse og adfærd på tværs af temperaturer er særlig vanskelig at spore.

"I cuprate superledere, vi har lært at opdage ladningsstriber, når de er fastgjort til atomgitteret, men når de begynder at bevæge sig, vi mister dem af syne, "Sagde Tranquada." Så, i stedet for en superledende forbindelse af lanthan, strontium, kobber, og ilt, Vi lavede lidt alkymi for at erstatte kobberet med nikkel. "

I en elegant proces ledet af studieforfatter og Brookhaven -videnskabsmand Genda Gu, nikkeloxid-eller nikkel-krystaller blev dyrket fra en flydende fase uden brug af nogen beholder. Da de tilbød en lignende struktur til cuprates, men med stærkere stribe bestilling, de undvigende ladningsstriber ville være lettere at få øje på, forudsat at det rigtige værktøj kunne findes til at kigge indenfor.

Holdet henvendte sig til tidspunktet for flyvning Hybrid Spectrometer (HYSPEC) ved Oak Ridge Labs Spallation Neutron Source, en DOE Office of Science brugerfacilitet. Instrumentet - produktet af et forslag, der først blev udviklet i Brookhaven - bombarderede nikkelprovningen med en stråle neutroner, der derefter spredte atomstrukturen. Ved at måle den tid, det tager for de spredte neutroner at nå detektorer, forskerne udledte den tabte eller opnåede energi - dette afslørede igen tilstedeværelsen eller fraværet af striberne.

Skoler i elektronisk fisk

Resultatet af neutronspredning som kræver intens computerbehandling, fremlagt bevis for en såkaldt nematisk fase i nikkelatet.

"Elektroniske nematiske faser drives af elektronkorrelationer, der bryder rotationssymmetrien i materialets krystalgitter, "Sagde Zhong." I nikkelatet, disse bølgelignende, korrelerede striber bevæger sig gennem materialet og påvirker ledningsevnen direkte. "

Som Tranquada forklarede, dette kan visualiseres som lange skoler, slanke fisk, der svømmer gennem en nedsænket struktur.

"De bevæger sig stramt ind, stærkt koordineret, og undvigende pakker, "Tranquada sagde." Svømning med disse fisk i en parallel retning kan være ganske glat, men svømning mod den koordinerede gruppe i en vinkelret retning er udfordrende. Det ligner lidt den måde, hvorpå strømmen bevæger sig gennem vores nikkel og interagerer med ladningsbølgerne. "

Den præcise måde, hvorpå disse vedholdende og nysgerrige ladningsstriber påvirker ledningsevnen i nikkelaterne - og endnu vigtigere i de analoge superledende cuprater - er stadig uklar.

"Vi håber, at dette arbejde giver nye muligheder for teori og eksperiment for at udforske høj temperatur superledning, "Sagde Zhong." Mens vi bliver ved med at kortlægge disse materialer, mekanismen vil til sidst løbe tør for steder at skjule. "