Kupratmaterialer har svingende striber, der kan være forbundet med høj temperatur superledning

Forskere ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory og Stanford University har vist, at kobberbaserede superledere, eller cuprates - den første klasse materialer, der findes til at transportere elektricitet uden tab ved relativt høje temperaturer - indeholder svingende striber af elektronladning og spin, der slynger sig som nitter over groft underlag.

Striberne er zoner, hvor elektroner enten hober sig op, skabe bånd af negativ ladning, eller juster deres spins for at skabe bånd af magnetisme. De var tidligere kendt for at eksistere i cuprate superledere ved temperaturer nær absolut nul, selvom striberne ikke bevægede sig i denne dybe kulde og deres nøjagtige rolle i superledelse - øger eller presser de det? - har været uklar.

Nu har forskerne beregningsmæssigt demonstreret for første gang, at disse striber også findes ved høje temperaturer, men de er subtile og svinger på en måde, der kun kunne opdages gennem numeriske computersimuleringer af en præcision og skala, der ikke er gjort før. Forskerne beskrev deres undersøgelse i Videnskab i dag.

"Der er grund til at tro, at striber af ladning og spin kan være intimt knyttet til fremkomsten af ​​høj temperatur superledning i disse materialer, som blev opdaget for 30 år siden, men hidtil ikke er forstået eller forklaret, "sagde Edwin Huang, en fysikstuderende ved Stanford og ved Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) på SLAC.

"Denne opdagelse af svingende striber i en realistisk computermodel vil give os en måde at teste de mange teorier om, hvordan striber er relateret til superledning, "Sagde Huang." Vi tror, ​​at vores resultater vil være nyttige for forskere, der laver eksperimentelle undersøgelser af disse materialer, og de vil også hjælpe med at udvikle og forfine beregningsteknikkerne, der går hånd i hånd med teori og eksperimenter for at skubbe feltet fremad. "

Resultaterne gælder også for andre nye materialer, sagde SIMES -direktør Thomas Devereaux. "Materialer, der spontant udvikler denne form for ikke-ensartet struktur, er ret almindelige, herunder magneter og ferroelektriske "sagde han." Det kan endda betragtes som en underskrift af "kvante" materialer, hvis overraskende egenskaber produceres af elektroner, der samarbejder på uventede måder. Vores numeriske resultater viser, at dette fænomen generelt kan relateres til stærke vekselvirkninger mellem elektronladninger og spin. "

Et mystisk fænomen

I konventionelle elektriske ledere, strøm overføres af elektroner, der virker individuelt. Men i superledere, elektroner parrer sig til at transmittere strøm med stort set intet tab.

I 75 år efter deres opdagelse alle kendte superledere fungerer kun ved temperaturer tæt på absolut nul, begrænser den måde, de kan bruges på.

Det ændrede sig i 1986, da forskere opdagede, at cuprates kunne superleder ved meget højere (omend stadig ret kølige) temperaturer. Faktisk, visse cupratforbindelser er superledende ved temperaturer over 100 kelvin, eller minus 173 grader Celsius, muliggør udvikling af superledende teknologier, der kan køles med flydende nitrogen.

Men forskere er stadig langt fra deres mål om at finde superledere, der fungerer tæt på stuetemperatur for meget effektive elledninger, maglev -tog og andre applikationer, der kan have en dybtgående indflydelse på samfundet. Uden en grundlæggende forståelse for, hvordan høj-temperatur superledere fungerer, udviklingen har været langsom.

Computermodellering er et kritisk værktøj til at opnå denne forståelse. Modeller er sæt af matematiske ligninger baseret på fysik, som teoretikere skaber og løbende forfiner for at simulere et materiales adfærd ved hjælp af computeralgoritmer. De tjekker deres modeller mod observationer og eksperimentelle resultater for at sikre, at de er på rette vej.

I dette tilfælde, teamet modellerede elektronadfærd og interaktioner i et af en kuperats kobberoxidlag, det er her den interessante fysik sker, sagde SIMES -personaleforsker Brian Moritz. Beregningerne blev kørt på Stanfords Sherlock -supercomputer -klynge på SLAC og på DOE's National Energy Research Scientific Computing Center i Berkeley.

Resultaterne var i god overensstemmelse med data fra neutronspredningsforsøg på en række forskellige cuprater, sagde forskerne, bekræfter, at deres simuleringer præcist indfanger disse elektroners fysik.

En mere præcis model

Det er første gang, at kuverters temperatur ved høj temperatur er blevet simuleret med en realistisk model, der dækker et stort nok område af materialet til at se svingende striber, Sagde Huang. Denne større skala gør også beregningerne mere præcise.

"Der var en fin balance, vi skulle finde, "sagde han." Det er ekstremt beregningsmæssigt krævende beregninger. Men hvis du simulerer adfærden i mindre områder, du vil ikke kunne se nogen striber, der dukker op. Det var den primære begrænsning af tidligere undersøgelser. "

Simuleringerne viser, at striber opstår ved temperaturer op til 600 grader Celsius og under en lang række dopingforhold, hvor forbindelser tilsættes til et materiale for at justere dets elektroniske adfærd, og derfor ser de ud til at være et universelt træk ved cuprate superledere, sagde forskerne.

"Ideen om, at der er svingende striber i cuprates, er ikke ny, men det har været et kontroversielt emne i mange år, "Huang sagde." Det nye her er, at vi kan støtte deres eksistens ved hjælp af upartisk beregning på en realistisk model af disse materialer. "

En ting undersøgelsen ikke gør, han tilføjede, er besvare spørgsmålet om, hvorvidt eller hvordan de svingende striber figurerer til superledning:"Det er den retning, vi vil gå mod."