Brydende elektronbølger giver nye spor til superledning ved høje temperaturer

Superledere bærer elektricitet med perfekt effektivitet, i modsætning til det uundgåelige spild, der ligger i traditionelle ledere som kobber. Men den perfektion kommer til prisen for ekstrem kulde - selv såkaldt højtemperatursuperledning (HTS) kommer kun frem et godt stykke under nul grader Fahrenheit. At opdage den evigt undvigende mekanisme bag HTS kan revolutionere alt fra regionale elnet til vindmøller.

Nu, et samarbejde ledet af det amerikanske energiministeriums Brookhaven National Laboratory har opdaget et overraskende sammenbrud i elektroninteraktionerne, der kan understøtte HTS. Forskerne fandt ud af, at når superledning forsvinder ved højere temperaturer, kraftige bølger af elektroner begynder mærkeligt at afkoble og opføre sig uafhængigt - som havbølger, der deler sig og risler i forskellige retninger.

"For første gang, vi påpegede disse nøgleelektroninteraktioner, der sker efter superledningsevnen aftager, " sagde førsteforfatter og Brookhaven Lab research associate Hu Miao. "Portrættet er både mærkeligere og mere spændende, end vi havde forventet, og det tilbyder nye måder at forstå og potentielt udnytte disse bemærkelsesværdige materialer."

Den nye undersøgelse, offentliggjort 7. november i tidsskriftet PNAS , udforsker det forvirrende samspil mellem to nøglekvanteegenskaber ved elektroner:spin og ladning.

"Vi ved, at ladning og spin hænger sammen og danner bølger i kobberoxider, der køles ned til superledende temperaturer, " sagde seniorforfatter og Brookhaven Lab-fysiker Mark Dean. "Men vi var ikke klar over, at disse elektronbølger fortsætter, men ser ud til at afkobles ved højere temperaturer."

Elektroniske striber og bølger

Forskere ved Brookhaven Lab opdagede i 1995, at spin og ladning kan låse sammen og danne rumligt modulerede "striber" ved lave temperaturer i nogle HTS-materialer. Andre materialer, imidlertid, har korrelerede elektronladninger, der ruller igennem som ladningstæthedsbølger, der ser ud til at ignorere spin fuldstændigt. Uddybning af HTS-mysteriet, ladning og spin kan også opgive uafhængighed og hænge sammen.

"Disse 'striber' og korrelerede bølgers rolle i højtemperatursuperledning er heftigt diskuteret, " sagde Miao. "Nogle elementer kan være væsentlige eller bare en lille del af det større puslespil. Vi havde brug for et klarere billede af elektronaktivitet på tværs af temperaturer, især de flygtige signaler ved varmere temperaturer."

Forestil dig at kende den præcise kemiske struktur af is, for eksempel, men har ingen idé om, hvad der sker, når det omdannes til væske eller damp. Med disse kobberoxid-superledere, eller cuprates, der er sammenlignelig mystik, men skjult i meget mere komplekse materialer. Stadig, videnskabsmændene havde i det væsentlige brug for at tage en frysende kold prøve og omhyggeligt opvarme den for at spore præcis, hvordan dens egenskaber ændrer sig.

Subtile signaler i specialfremstillede materialer

Holdet henvendte sig til et veletableret HTS-materiale, lanthan-barium kobberoxider (LBCO) kendt for stærke stribedannelser. Brookhaven Lab-forskeren Genda Gu forberedte omhyggeligt prøverne og tilpassede elektronkonfigurationerne.

"Vi kan ikke have nogen strukturelle abnormiteter eller vildfarne atomer i disse cuprates - de skal være perfekte, " sagde Dean. "Genda er blandt de bedste i verden til at skabe disse materialer, og vi er heldige at have hans talent så tæt ved hånden."

Ved lave temperaturer, elektronsignalerne er kraftige og lette at detektere, hvilket er en del af hvorfor deres opdagelse skete for årtier siden. For at drille de mere uhåndgribelige signaler ved højere temperaturer, holdet havde brug for hidtil uset følsomhed.

"Vi henvendte os til European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) i Frankrig for det vigtigste eksperimentelle arbejde, " sagde Miao. "Vores kolleger betjener en strålelinje, der omhyggeligt tuner røntgenenergien til at resonere med specifikke elektroner og registrere små ændringer i deres adfærd."

Holdet brugte en teknik kaldet resonant inelastic x-ray scattering (RIXS) til at spore elektronernes position og ladning. En fokuseret stråle af røntgenstråler rammer materialet, afsætter noget energi, og derefter hopper af i detektorer. Disse spredte røntgenstråler bærer signaturen af ​​de elektroner, de rammer undervejs.

Da temperaturen steg i prøverne, får superledning til at falme, de koblede bølger af ladning og spin begyndte at låse op og bevæge sig uafhængigt.

"Dette indikerer, at deres kobling kan styrke stribedannelsen, eller gennem en ukendt mekanisme bestyrke høj-temperatur superledning, " sagde Miao. "Det garanterer bestemt yderligere udforskning på tværs af andre materialer for at se, hvor udbredt dette fænomen er. Det er en vigtig indsigt, sikkert, men det er for tidligt at sige, hvordan den kan låse HTS-mekanismen op."

Denne yderligere udforskning vil omfatte yderligere HTS-materialer samt andre synkrotronfaciliteter, især Brookhaven Labs National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), en DOE Office of Science brugerfacilitet.

"Ved brug af nye strålelinjer ved NSLS-II, vi vil have friheden til at rotere prøven og drage fordel af markant bedre energiopløsning, " sagde Dean. "Dette vil give os et mere komplet billede af elektronkorrelationer i hele prøven. Der er meget mere opdagelse i vente."