Mærkelige elektroner bryder krystalsymmetrien i høj temperatur superledere

Superlederes perfekte ydeevne kan revolutionere alt fra netinfrastruktur til forbrugerelektronik, hvis bare de kunne tvinges til at fungere over frigide temperaturer. Selv såkaldte høj temperatur superledere (HTS) skal køles ned til hundredvis af grader Fahrenheit under nul.

Nu, forskere fra det amerikanske energiministerium (DOE) Brookhaven National Laboratory og Yale University har opdaget nye, overraskende adfærd af elektroner i et HTS -materiale. Resultaterne, offentliggjort 27. juli i tidsskriftet Natur , beskrive elektronernes symmetri-afbrydende strøm gennem kobberoxid (cuprat) superledere. Adfærden kan være forbundet med den evigt undvigende mekanisme bag HTS.

"Vores opdagelse udfordrer en hjørnesten i kondenseret fysik, "sagde hovedforfatter og Brookhaven Lab -fysiker Jie Wu." Disse elektroner synes spontant at 'vælge' deres egne veje gennem materialet - et fænomen i direkte modsætning til forventningerne. "

Off-road elektroner

I simple metaller, elektroner bevæger sig jævnt og uden retningsbestemte præferencer - tænk på en væske, der breder sig ud på en overflade. HTS-materialerne i denne undersøgelse er lagdelt med fire gange rotationssymmetri af krystalstrukturen. Elektrisk strøm forventes at strømme ensartet parallelt med disse lag - men det er ikke det, Brookhaven -gruppen observerede.

"Jeg er fra Midtvesten, hvor miles af landbrugsjord adskiller byerne, "sagde Brookhaven-fysiker og studieforfatter Anthony Bollinger." Landevejene mellem byerne er stort set anlagt som et net, der går nord-mod-syd og øst-mod-vest. Du forventer, at biler følger gitteret, som er skræddersyet til dem. Denne symmetribrud er som om alle besluttede at forlade de asfalterede veje og køre lige over landmændenes marker. "

I et andet twist, den symmetri-brydende spænding vedvarede op til stuetemperatur og på tværs af hele rækken af ​​kemiske sammensætninger, forskerne undersøgte.

"Elektronerne koordinerer på en eller anden måde deres bevægelse gennem materialet, selv efter at superledningen fejler, "sagde Wu.

Stærke elektron-elektron-interaktioner kan hjælpe med at forklare den foretrukne retning for strømmen. På tur, disse iboende elektroniske finurligheder kan dele et forhold til HTS -fænomener og tilbyde et tip til afkodning af dens ukendte mekanisme.

Søger atomisk perfektion

I modsætning til velforstået klassisk superledning, HTS har undret forskere i mere end tre årtier. Nu, avancerede teknikker giver indsigt uden fortilfælde.

"Den sværeste del af hele arbejdet - og det, der hjælper med at skille os fra hinanden - var den omhyggelige materialesyntese, "sagde studieforfatter Xi He.

Dette arbejde var en del af et større projekt, der tog 12 år og omfattede syntese og undersøgelse af mere end 2, 000 film af superledere af lanthan-strontium-kobberoxid.

"Denne forskningsskala er velegnet til et nationalt laboratoriemiljø, sagde Ivan Bozovic, der leder Brookhaven -gruppen bag indsatsen.

De bruger en teknik kaldet molecular beam epitaxy (MBE) til at samle komplekse oxider et atomlag ad gangen. For at sikre strukturel perfektion, forskerne karakteriserer materialerne i realtid med elektrondiffraktion, hvor en elektronstråle rammer prøven, og følsomme detektorer måler præcist, hvordan den spredes.

"Selve materialet er vores fundament, og det skal være så fejlfrit som muligt at garantere, at de observerede egenskaber er iboende, "Sagde Bozovic." Desuden er i kraft af vores 'digitale' syntese, vi konstruerer filmene på atomlagsniveau, og optimere dem til forskellige undersøgelser. "

Svømning mod strømmen

Det første store resultat af denne omfattende undersøgelse af MBE -gruppen ved Brookhaven blev offentliggjort i Natur sidste år. Det demonstrerede, at den superledende tilstand i kobberoxidmaterialer er ganske usædvanlig, udfordrer standardforståelsen.

Dette fund antydede, at den såkaldte "normale" metalliske tilstand, der danner sig over den kritiske temperaturgrænse, hvor superledningen nedbrydes, kan også være ekstraordinær. Kigger nøje, forskerne observerede, at da ekstern strøm flød gennem prøverne, en spontan spænding opstod uventet vinkelret på denne strøm.

"Vi observerede denne bizarre spænding første gang for over ti år siden, men vi og andre diskonterede det som en slags fejl, "Sagde Bollinger." Men så dukkede det op igen, og igen, og igen - under stadig mere kontrollerede forhold - og vi løb tør for måder at forklare det på. Da vi endelig dukkede ind, resultaterne overgik vores forventninger. "

For at fastslå fænomenets oprindelse, forskerne fremstillede og målte tusindvis af enheder mønstret ud af HTS -filmene. De studerede, hvordan denne spontane spænding afhænger af den aktuelle retning, temperatur, og den kemiske sammensætning (niveauet af doping ved strontium, som styrer elektrontætheden). De varierede også typen og krystalstrukturen af ​​substraterne, hvor HTS -filmene dyrkes, og endda hvordan underlagene er poleret.

Disse omhyggelige undersøgelser viste uden tvivl, at effekten er iboende for selve HTS -materialet, og at dens oprindelse er rent elektronisk.

På molekylært niveau, almindelige væsker ser ens ud i alle retninger. Nogle, imidlertid, består af stavlignende molekyler, som har tendens til at justere i en foretrukken retning. Sådanne materialer kaldes flydende krystaller - de polariserer lys og bruges meget i displays. Mens elektroner i almindelige metaller opfører sig som en væske, i cuprates opfører de sig som en elektronisk flydende krystal.

"Vi er nødt til at forstå, hvordan denne elektronadfærd passer ind i HTS -puslespillet som helhed, "Han sagde." Denne undersøgelse giver os nye ideer at forfølge og måder at tackle det, der kan være det største mysterium inden for kondenseret fysik. Jeg er spændt på at se, hvor denne forskning fører os hen. "