Forøgende ladningstæthed bølgesvingninger ses i superledende kobberoxider for første gang

Et internationalt team ledet af forskere fra Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory og Stanford University har fundet nye funktioner i elektronisk adfærd af et kobberoxidmateriale, der kan hjælpe med at forklare, hvorfor det bliver en perfekt elektrisk leder - en superleder - ved relativt høje temperaturer .

Ved hjælp af et røntgeninstrument med ultrahøj opløsning i Frankrig, forskerne så for første gang dynamisk adfærd i materialets ladningstæthedsbølge (CDW)-et mønster af elektroner, der ligner en stående bølge-der støtter ideen om, at disse bølger kan spille en rolle i højtemperatur-superledning.

Data taget ved lave (20 kelvin) og høje (240 kelvin) temperaturer viste, at når temperaturen steg, CDW blev mere i overensstemmelse med materialets atomstruktur. Bemærkelsesværdigt, ved den lavere temperatur, CDW fremkaldte også en usædvanlig stigning i intensiteten af ​​oxidets atomgittervibrationer, hvilket indikerer, at den dynamiske CDW -adfærd kan forplante sig gennem gitteret.

"Tidligere forskning har vist, at når CDW er statisk, det konkurrerer med og formindsker supraledelse, "sagde medforfatter Wei-Sheng Lee, en SLAC -videnskabsmand og -forsker ved Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES), som ledte undersøgelsen offentliggjort 12. juni i Naturfysik . "Hvis, på den anden side, CDW er ikke statisk, men svingende, teorien fortæller os, at de faktisk kan hjælpe med at danne supraledelse. "

En årtiers lang søgning efter en forklaring

Det nye resultat er det seneste i en årtiers lang søgning af forskere over hele verden efter de faktorer, der gør det muligt for visse materialer at blive superledende ved relativt høje temperaturer.

Siden 1950'erne har forskere har vidst, hvordan visse metaller og enkle legeringer bliver superledende, når de afkøles til et par grader af absolut nul:Deres elektroner parres og kører bølger af atomvibrationer, der fungerer som en virtuel lim for at holde parrene sammen. Over en bestemt temperatur, imidlertid, limen mislykkes, da termiske vibrationer øges, elektronparene deler sig, og superledningen forsvinder.

I 1986, komplekse kobberoxidmaterialer viste sig at blive superledende ved meget højere - men stadig ret kolde - temperaturer. Denne opdagelse var så uventet, at den forårsagede en verdensomspændende videnskabelig fornemmelse. Ved at forstå og optimere, hvordan disse materialer fungerer, forskere håber at udvikle superledere, der arbejder ved stuetemperatur og derover.

I starten den mest sandsynlige lim, der holdt superledende elektronpar sammen ved højere temperaturer, syntes at være stærke magnetiske excitationer skabt af interaktioner mellem elektronspins. Men i 2014, en teoretisk simulering og eksperimenter ledet af SIMES-forskere konkluderede, at disse magnetiske interaktioner med høj energi ikke er den eneste faktor i kobberoxidets superledende høj temperatur. En uventet CDW syntes også at være vigtig.

De seneste resultater fortsætter SIMES -samarbejdet mellem eksperiment og teori. Baseret på tidligere teorier om, hvordan elektroninteraktioner med gittervibrationer kan sonderes med resonant uelastisk røntgenspredning, eller RIXS, signaturen af ​​CDW -dynamikken blev endelig identificeret, yder yderligere støtte til CDW's rolle i bestemmelsen af ​​den elektroniske struktur i superledende kobberoxider.

Det vigtige nye værktøj:RIXS

De nye resultater er muliggjort af udviklingen af ​​mere dygtige instrumenter, der anvender RIXS. Nu tilgængelig i ultrahøj opløsning på European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) i Frankrig, hvor teamet udførte dette eksperiment, RIXS vil også være et vigtigt element i SLACs opgraderede Linac Coherent Light Source X-ray free-electron laser, LCLS-II. Kombinationen af ​​ultrahøj energiopløsning og en høj pulsrepetitionshastighed ved LCLS-II vil gøre det muligt for forskere at se mere detaljerede CDW-udsving og udføre eksperimenter, der sigter mod at afsløre yderligere detaljer om dets adfærd og forbindelser til højtemperatur-superledning. Mest vigtigt, forskere ved LCLS-II vil kunne bruge ultrahurtige lys-stof-interaktioner til at kontrollere CDW-udsving og derefter tage femtosekund-tidsskala snapshots af dem.

RIXS indebærer at belyse en prøve med røntgenstråler, der har lige nok energi til at ophidse nogle elektroner dybt inde i målatomerne for at springe op i en bestemt højere bane. Når elektronerne slapper tilbage til deres tidligere positioner, en lille brøkdel af dem udsender røntgenstråler, der bærer værdifuld atomskalainformation om materialets elektroniske og magnetiske konfiguration, der menes at være vigtig for høj temperatur superledning.

"Til dato, ingen anden teknik har set tegn på udbredelse af CDW -dynamik, "Sagde Lee.

RIXS blev første gang demonstreret i midten af ​​1970'erne, men det kunne ikke få nyttige oplysninger til at løse vigtige problemer før 2007, da Giacomo Ghiringhelli, Lucio Braicovich ved Milan Polytechnic i Italien og kolleger hos Swiss Light Source foretog en grundlæggende ændring, der forbedrede sin energiopløsning til et niveau, hvor betydelige detaljer blev synlige-teknisk set til omkring 120 milli-elektronvolt (meV) ved den relevante røntgenbølgelængde, som kaldes en kobber L -kant. Det nye RIXS -instrument på ESRF er tre gange bedre, rutinemæssigt at opnå en energiopløsning ned til 40 meV. Siden 2014 har Milano -gruppen har samarbejdet med SLAC- og Stanford -forskere i deres RIXS -forskning.

"Den nye ultrahøj opløsning RIXS gør en kæmpe forskel, "Sagde Lee." Det kan vise os tidligere usynlige detaljer. "