Forskere får det første direkte kig på, hvordan elektroner danser med vibrerende atomer

Forskere ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory og Stanford University har foretaget de første direkte målinger, og langt de mest præcise, af, hvordan elektroner bevæger sig i synkronisering med atomvibrationer, der risler gennem et eksotisk materiale, som om de dansede i samme takt.

Vibrationerne kaldes fononer, og elektron-fononkoblingen, forskerne målte, var 10 gange stærkere end teorien havde forudsagt-hvilket gjorde den stærk nok til potentielt at spille en rolle i utraditionel superledning, som gør det muligt for materialer at lede elektricitet uden tab ved uventet høje temperaturer.

Hvad mere er, den tilgang, de udviklede, giver forskere en helt ny og direkte måde at studere en lang række "nye" materialer, hvis overraskende egenskaber stammer fra den grundlæggende partiklers kollektive adfærd, såsom elektroner. Den nye tilgang undersøger disse materialer alene gennem eksperimenter, frem for at stole på antagelser baseret på teori.

Eksperimenterne blev udført med SLACs Linac Coherent Light Source (LCLS) røntgenfri-elektronlaser og med en teknik kaldet vinkelopløst fotoemissionsspektroskopi (ARPES) på Stanford-campus. Forskerne beskrev undersøgelsen i dag i Science.

En "gennembrud" tilgang

"Jeg tror, ​​at dette resultat vil have flere virkninger, "sagde Giulia Galli, en professor ved University of Chicago's Institute for Molecular Engineering og seniorforsker ved DOE's Argonne National Laboratory, der ikke var involveret i undersøgelsen.

"Selvfølgelig har de anvendt metoden på et meget vigtigt materiale, en som alle har forsøgt at finde ud af og forstå, og det er fantastisk, "sagde hun." Men det faktum, at de viser, at de er i stand til at måle elektron-fonon-interaktionen, som er så vigtig i så mange materialer og fysiske processer - dette, Jeg tror, er et gennembrud, der vil bane vejen til mange andre eksperimenter på mange andre materialer. "

Evnen til at foretage denne måling, tilføjede hun, vil give forskere mulighed for at validere teorier og beregninger, der beskriver og forudsiger disse materialers fysik på en måde, de aldrig var i stand til at gøre før.

"Disse præcisionsmålinger vil give os dyb indsigt i, hvordan disse materialer opfører sig, "sagde Zhi-Xun Shen, en professor ved SLAC og Stanford og efterforsker ved Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES), der ledede undersøgelsen.

Ekstremt præcise 'film'

Teamet brugte SLACs LCLS til at måle atomvibrationer og ARPES til at måle elektroners energi og momentum i et materiale kaldet jernselenid. Ved at kombinere de to teknikker kunne de observere elektron-fonon-kobling med ekstraordinær præcision, på en femtosekunds tid - milliontedele af en milliarddel af et sekund - og inden for omtrent en milliarddel af bredden af ​​et menneskehår.

"Vi var i stand til at lave en 'film, 'ved hjælp af ækvivalent af to kameraer til at registrere atomvibrationer og elektronbevægelser, og vise, at de vrikker på samme tid, som to stående bølger over hinanden, "sagde medforfatter Shuolong Yang, en postdoktor ved Cornell University.

"Det er ikke en film i almindelig forstand af billeder, du kan se på en skærm, "sagde han." Men det fanger fonon- og elektronbevægelser i rammer, der er skudt 100 billioner gange i sekundet, og vi kan snor omkring 100 af dem sammen ligesom filmrammer for at få et fuldstændigt billede af, hvordan de er forbundet. "

Det jernselenid, de studerede, er et mærkeligt materiale. Det er kendt at lede elektricitet uden tab, men kun ved ekstremt kolde temperaturer, og på en måde, der ikke helt kunne forklares med etablerede teorier; derfor kaldes det en utraditionel superleder.

Forfølge en spændende ledetråd

Men for fem år siden en forskergruppe i Kina rapporterede en spændende observation:Når et atom tyndt lag af jernselenid lægges oven på et andet materiale kaldet STO - opkaldt efter dets primære ingredienser strontium, titanium og ilt - dens maksimale superledende temperatur springer fra 8 grader til 60 grader over det absolutte nul, eller minus 213 grader Celsius. Selvom det stadig er rigtig koldt, det er en meget højere temperatur, end forskere forventede, og det falder inden for driftsområdet for såkaldte "høj temperatur superledere, "hvis opdagelse i 1986 udløste en vanvittig forskning på grund af den revolutionære indvirkning, disse perfekt effektive elektriske sendere kunne have på samfundet.

Opfølgning på dette spor, Shens gruppe undersøgte den samme kombination af materialer med ARPES. I et papir fra 2014 i Nature, de konkluderede, at atomvibrationer i STO bevæger sig op i jernselenidet og giver elektroner den ekstra energi, de har brug for til at parre og transportere elektricitet med nul tab ved højere temperaturer, end de ville alene.

Dette antydede, at forskere måske kunne opnå endnu højere maksimale superledende temperaturer ved at ændre et antal variabler, såsom substratets beskaffenhed under en superledende film, alt på samme tid.

Men kunne denne kobling af atomvibrationer og kollaborativ elektronadfærd også finde sted i jernselenid alene, uden et boost fra et underlag? Det var det, den nuværende undersøgelse havde til formål at finde ud af.

Som at banke på en klokke med en hammer

Shens team lavede et tykkere, atomisk ensartet jernselenidfilm og ramte den med infrarødt laserlys for at ophidse dens 5-billioner gange i sekundet atomvibrationer-som at trykke let på en klokke med en lille hammer, SLAC-videnskabsmand og medforfatter Patrick Kirchmann sagde. Dette fik vibrationerne til at synkronisere med hinanden i hele filmen, så de lettere kunne observeres.

Holdet målte derefter materialets atomvibrationer og elektronadfærd i to separate eksperimenter. Yang, som dengang var en Stanford -kandidatstuderende, ledet ARPES -målingen. Simon Gerber, en postdoktor i Shens gruppe, ledet LCLS -målingerne ved SLAC; han har siden tiltrådt SwissFEL ved Paul Scherrer -instituttet i Schweiz som personaleforsker.

Den nye undersøgelse beviser ikke, at koblingen af ​​atomare og elektroniske vibrationer var ansvarlig for at øge jernselenidets superledende temperatur i de tidligere undersøgelser, Sagde Kirchmann. Men kombinationen af ​​røntgenlaser og ARPES-observationer bør give ny og mere sofistikeret indsigt i fysik i materialesystemer, hvor flere faktorer spiller ind på samme tid, og forhåbentlig flytte feltet hurtigere frem.