Forskere skinner nyt lys på den anden høj temperatur superleder

En undersøgelse ledet af forskere fra Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter (MPSD) ved Center for Free-Electron Laser Science i Hamborg præsenterer tegn på sameksistensen af ​​superledning og "ladningstæthed-bølger" i forbindelser af dårligt undersøgt familie af vismutater. Denne observation åbner nye perspektiver for en dybere forståelse af fænomenet høj temperatur superledning, et emne, der har været kernen i forskning i kondenseret materiale siden mere end 30 år. Papiret af Nicoletti et al er blevet offentliggjort i PNAS .

Siden begyndelsen af ​​det 20. århundrede har superledningsevne var blevet observeret i nogle metaller ved temperaturer kun få grader over det absolutte nul (minus 273 grader Celsius). Først i 1980'erne, fysikere formåede at syntetisere nye klasser af forbindelser, baseret på keramiske materialer, som var i stand til at lede elektricitet uden tab ved temperaturer helt op til 138 K (minus 135 grader Celsius). Disse blev kaldt "høj temperatur superledere".

Den mest kendte og stærkt studerede familie af høj temperatur superleder er cuprates, som viser langt de højeste kritiske temperaturer (dvs. temperaturen under hvilken superledning opstår), og er derfor de mest lovende til applikationer. Imidlertid, der findes en lang række andre forbindelser, som også viser superledelse ved temmelig høje temperaturer, blandt dem de nyligt opdagede jernpnictider.

Et universelt billede, der er i stand til at beskrive fysikken bag fænomenet høj temperatur superledning, mangler stadig. Imidlertid, en vigtig fællestræk mellem næsten alle høj temperatur superledere er fremkomsten af ​​superledning i nærheden af ​​andre eksotiske faser af stof, såsom "ladningstæthed-bølgerne". Alle disse materialer kan typisk indstilles fra en fase til en anden, muligvis opnå superledelse, ved kemisk doping, eksternt tryk, eller magnetfelter. Imidlertid, det subtile indbyrdes forhold mellem disse faser forbliver dårligt forstået, og i nogle tilfælde, der er beviser for, at ladningstæthed-bølger og superledning kan endda sameksistere mikroskopisk i den samme forbindelse.

Under sådanne omstændigheder, eksperimenter udført af stimulerende materialer med ultrakort, intense laserpulser (så korte som få hundrede femtosekunder) har tidligere vist sig at give ny indsigt i fysikken i disse systemer. For eksempel, gruppen af ​​Andrea Cavalleri ved MPSD i Hamborg har allerede med succes demonstreret, at i nogle cuprates -forbindelser, sådanne pulser kan bruges til at fjerne ladningstæthed-bølger og fremme superledning ved højere temperaturer, muligvis endda op til stuetemperatur (W. Hu, Naturmaterialer , 13, 705–711 og R. Mankowsky, Natur 516, 71–73).

I det nuværende arbejde, Nicoletti, Cavalleri og kolleger fokuserede på forskellige forbindelser, tilhører den dårligt undersøgte familie af vismutater. Disse superledere blev opdaget i 1970'erne, selv før cupraterne, men de tiltrak sig mindre opmærksomhed på grund af deres langt lavere kritiske temperaturer (ca. 30 K). De deler mange fællestræk, men også nogle forskelle med deres bedre kendte slægtninge. I særdeleshed, den såkaldte "modersammensætning", BaBiO (3), har en robust ladningstæthed-bølge fase, hvorfra der kommer superledelse ved kemisk substitution.

Krystaller af høj kvalitet af BaPb _1-x BixO ₃ , med forskellige Pb -koncentrationer "x", blev syntetiseret og karakteriseret af Ian R. Fisher og P. Giraldo-Gallo ved Stanford University, Californien. Hamburg -teamet udførte en række eksperimenter på disse krystaller, hvor de foto-spændte materialerne med meget korte og intense laserpulser og målte, hvordan deres ledningsevne blev forbigående ændret og afslappet tilbage til den oprindelige værdi inden for få picosekunder. Ved at analysere afhængigheden af ​​et sådant signal på frekvens, temperatur, og Pb -koncentration, de kunne unikt tildele det til en ændring af ladningstæthed-bølgefasen induceret af laserfeltet.

"Påfaldende", siger Nicoletti, "vi var i stand til at måle dette svar ikke kun i modersubstansen BaBiO ₃ , for hvilken der vides at eksistere en ladningstæthed-bølge, men også i en Pb-dopet superledende forbindelse. Denne observation er en indirekte demonstration af sameksistensen af ​​ladningstæthed-bølger og superledning i det samme materiale, noget, der er blevet diskuteret tidligere, men aldrig bestemt etableret i denne materialeklasse ".

Forskerne var også i stand til nøjagtigt at bestemme energiskalaerne forbundet med ændringen af ​​ladningstæthed-bølgerne, og dermed give ny information om deres dynamiske samspil med superledning i vismutater.

Disse resultater er især rettidige, da ladningstæthed-bølger for nylig er blevet fundet i flere superlederledninger, peger på en overraskende fællesskab mellem nogle aspekter af disse materialer. Det foreliggende eksperiment er et yderligere eksempel på, hvordan lys kan bruges til at undersøge, styring, og manipulere komplekse materialer. Et af de ultimative mål med denne forskningslinje er at give vejledning til materialeteknik til at udvikle nye funktionaliteter ved stadig højere temperaturer.