Elektronorbitaler kan have nøglen til at forene konceptet om høj temperatur superledning

Et team af forskere har fundet beviser for en ny type elektronparring, der kan udvide søgen efter nye højtemperatur-superledere. Fundene, beskrevet i tidsskriftet Science, danne grundlag for en samlende beskrivelse af, hvordan radikalt forskellige "modermaterialer"-isolerende kobberbaserede forbindelser og metalliske jernbaserede forbindelser-kan udvikle evnen til at bære elektrisk strøm uden modstand ved påfaldende høje temperaturer.

Ifølge forskerne, materialernes forskellige elektroniske egenskaber er faktisk nøglen til fælles.

"Forskere har troet, at fordi udgangspunktet for superledning i disse to materialeklasser er så forskellige, du har brug for forskellige teoretiske tilgange til at beskrive dem, "sagde J.C. Séamus Davis, en fysiker ved US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory og Cornell University, der ledede teamet af eksperimentelle forskere. "I stedet, vi har været motiveret til at undersøge, hvad der er universelt ved disse to systemer. Ideelt set, der burde kun være en forklaring. "

Forskere har generelt forstået, at mekanismen for superledning i kobberoxidforbindelser afhænger af elektroners evne til tilstødende kobberatomer til at koble sig sammen. Hvert kobberatom har et enkelt, uparret elektron i sin yderste energiskal, eller orbital. Mens de yderste elektroner på tilstødende kobberatomer interagerer stærkt med hinanden, de forbliver normalt låst på plads, fast i en "kvantemekanisk trafikprop" uden at tage hen, Sagde Davis. Uden elektroner i bevægelse, materialet fungerer som en "stærkt korreleret" elektrisk isolator.

Fjernelse af nogle af de elektroner, der findes på kobberatomer, resulterer i elektroner, der kaldes huller. Dette lindrer kvantestoppet, så, når materialet afkøles til en bestemt temperatur, modsatrettede elektroner (magnetiske partnere, hvor "spin" af en elektron peger op og den tilstødende peger nedad) danner par og bliver derefter fri til at lynlåse gennem materialet uhindret-en superleder.

Jernatomer, som har en kerne med mindre positiv ladning end kobber, udøve mindre træk på de cirkulerende elektroner. Så i stedet for at fylde elektronorbitaler op, elektroner i flere ydre energiorbitaler forbliver uparrede, alligevel på linje med hinanden og elektronisk aktive. Justeringen af ​​uparede elektroner i flere orbitaler giver simpelt jern dets stærke magnetiske og metalegenskaber, så det er let at se, hvorfor jernforbindelser ville være gode ledere. Men det er ikke rigtigt klart, hvordan de kunne blive nulresistente superledere ved høje temperaturer uden de stærke interaktioner, der skaber en korreleret isoleringstilstand i de kobberbaserede materialer.

For at løse dette problem, teoretiske fysikere begyndte at overveje muligheden for, at de uparede elektroner i jerns forskellige orbitaler kunne indtage meget forskellige roller. Måske kan uparrede elektroner i en bestemt kredsløb parre sig med elektroner i samme kredsløb på et tilstødende atom for at transportere superstrømmen, mens elektroner i de andre orbitaler tilvejebringer isoleringen, magnetisk, og metalliske egenskaber.

"Udfordringen er at finde en måde at se, at nogle af elektronerne er superledende, og nogle er isolerende i den samme krystal, "Sagde Davis.

Forskningen offentliggjort i Videnskab giver det første direkte bevis på, at en sådan "orbital-selektiv" elektronparring finder sted.

Teoriteamet for dette projekt-Andreas Kreisel (University of Leipzig), Peter Hirschfeld (University of Florida), og Brian Anderson (Københavns Universitet) -definerede de elektroniske signaturer, der skulle være forbundet med hvert kredsløb på jernatomerne. Derefter, eksperimenterne Peter Sprau og Andrey Kostin (begge Brookhaven Lab og Cornell) brugte et scanningstunnelmikroskop på Center for Emergent Superconductivity-et DOE Energy Frontier Research Center i Brookhaven Lab-til at måle elektroners energi og momentum i jernselenidprøver, der blev syntetiseret af Anna Bohmer og Paul Canfield ved DOE's Ames Laboratory. Ved at sammenligne målingerne med de forudsagte elektroniske signaturer kunne forskerne identificere, hvilke elektroner der var forbundet med hver orbital.

Med disse oplysninger, "Vi kan måle bindingsenergi og momentum for elektroner i 'Cooper-parene', der er ansvarlige for superledning og identificere, hvilke energimomentkarakteristika de har-hvilken orbital de kommer fra, "Sagde Davis.

"Vi var i stand til at vise, at næsten alle elektronerne i Cooper -par i jernselenid var fra en bestemt orbital med lavere energi (d_yz -orbitalen), "Sagde Davis. Resultaterne indebærer også, at elektronen i jernets yderste kredsløb i jernselenid udviser praktisk talt isolerende egenskaber, ligesom det gør i kobberoxidforbindelserne.

"Fordi jernselenid normalt udviser god metallisk ledningsevne, hvordan ville man nogensinde vide, at elektronerne i denne kredsløb virker, som de er i korrelerede isolatorer? Denne stærkt interagerende og praktisk talt isolerende tilstand skjulte sig for øjnene! "Sagde han.

Med denne ydre-orbitale isolerende tilstand, jernforbindelsen har alle de samme krav til superledning som kobberoxiderne-en stærk magnetisk interaktion (op/ned-parring) af de næsten lokaliserede elektroner, og en metallisk tilstand, der tillader disse par at bevæge sig. Den store forskel er, at i jernselenid, disse bidrag kommer fra forskellige elektroner i tre separate aktive orbitaler, i stedet for den enkelte elektron i en aktiv orbital i kobber.

"I jern har du ledningsevnen gratis. Og du har magnetismen gratis, men det er baseret på en anden elektron. Begge sameksisterer i samme atom, "Sagde Davis. Så når du har Cooper -par, det ser ud til, at der ikke er behov for at tilføje huller for at få strømmen til at flyde.

Denne erkendelse kan udvide søgen efter nye superledere, der potentielt kan fungere under varmere forhold. Sådanne højere temperaturer superledere ville være mere praktiske i den virkelige verden, energibesparende applikationer, f.eks. elledninger eller energilagringsenheder.

"I stedet for at søge efter nye enkelt-elektron antiferromagnetiske isolatorer som kobberoxid til fremstilling af høj temperatur superledere, måske skulle vi søge efter nye stærkt magnetiske, metalliske materialer, der har egenskaber som jern, men i et orbitalt selektivt arrangement, "Davis sagde." Dette åbner materialevidenskabens verden for mange nye typer materialer, der kan være superledere ved høj temperatur. "