Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Fysik

At bringe en skjult superledende tilstand frem i lyset

Fysikeren Genda Gu rummer en enkeltkrystal stang af LBCO-en forbindelse fremstillet af lanthan, barium, kobber, og ilt-i Brookhavens state-of-the-art krystalvækstlaboratorium. Den infrarøde billedovn, han brugte til at syntetisere disse krystaller af høj kvalitet, er afbilledet i baggrunden. Kredit:Brookhaven National Laboratory

Et team af forskere har opdaget en skjult tilstand af elektronisk orden i et lagdelt materiale indeholdende lanthan, barium, kobber, og ilt (LBCO). Når den afkøles til en bestemt temperatur og med visse koncentrationer af barium, LBCO er kendt for at lede elektricitet uden modstand, men nu er der tegn på, at der faktisk også forekommer en superledende tilstand over denne temperatur. Det var bare et spørgsmål om at bruge det rigtige værktøj - i dette tilfælde, højintensitetsimpulser af infrarødt lys-for at kunne se det.

Rapporteret i et papir, der blev offentliggjort i 2. februar -udgaven af Videnskab , teamets fund giver yderligere indsigt i det årtier lange mysterium om superledning i LBCO og lignende forbindelser indeholdende kobber- og iltlag, der er klemt mellem andre elementer. Disse "kuprater" bliver superledende ved relativt højere temperaturer end traditionelle superledere, som skal fryses til næsten absolut nul (minus 459 grader Fahrenheit), før deres elektroner kan strømme igennem dem med 100 procent effektivitet. At forstå, hvorfor cuprates opfører sig som de gør, kan hjælpe forskere med at designe bedre superledere ved høj temperatur, eliminere omkostningerne ved dyre kølesystemer og forbedre effektiviteten ved elproduktion, smitte, og distribution. Forestil dig computere, der aldrig bliver varme og strømnet, der aldrig mister energi.

"Det endelige mål er at opnå superledning ved stuetemperatur, "sagde John Tranquada, en fysiker og leder af Neutron Scatter Group i afdelingen for kondenseret materiel fysik og materialevidenskab ved det amerikanske energiministerium (DOE) Brookhaven National Laboratory, hvor han har studeret cuprates siden 1980'erne. "Hvis vi vil gøre det med design, vi er nødt til at finde ud af, hvilke funktioner der er afgørende for superledning. At drille disse funktioner ud i så komplicerede materialer som cuprates er ikke nogen let opgave. "

Kobber-ilt-planerne i LBCO indeholder "striber" af elektrisk ladning adskilt af en type magnetisme, hvor elektronen drejer i skiftevis i modsatte retninger. For at LBCO bliver superledende, de enkelte elektroner i disse striber skal kunne parre sig og bevæge sig ensartet gennem materialet.

Tidligere forsøg viste, at over temperaturen, hvor LBCO bliver superledende, modstand opstår, når den elektriske transport er vinkelret på flyene, men er nul, når transporten er parallel. Teoretikere foreslog, at dette fænomen kunne være konsekvensen af ​​en usædvanlig rumlig modulering af superledningen, med amplituden af ​​den superledende tilstand, der svinger fra positiv til negativ ved flytning fra den ene ladningsstrimmel til den næste. Stribemønsteret roterer 90 grader fra lag til lag, og de troede, at denne relative orientering blokerede de superledende elektronpar for at bevæge sig kohærent mellem lagene.

"Denne idé ligner at føre lys gennem et par optiske polarisatorer, såsom linser på visse solbriller, "sagde Tranquada." Når polarisatorerne har samme orientering, de passerer lys, men når deres relative orientering drejes til 90 grader, de blokerer alt lys. "

Imidlertid, en direkte eksperimentel test af dette billede havde manglet - indtil nu.

En af udfordringerne er at syntetisere de store, enkeltkrystaller af høj kvalitet af LBCO nødvendige for at udføre eksperimenter. "Det tager to måneder at dyrke en krystal, og processen kræver præcis kontrol over temperaturen, atmosfære, kemisk sammensætning, og andre betingelser, "sagde medforfatter Genda Gu, en fysiker i Tranquadas gruppe. Gu brugte en infrarød billedovn - en maskine med to lyse lamper, der fokuserer infrarødt lys på en cylindrisk stang, der indeholder udgangsmaterialet, opvarmede den til næsten 2500 grader Fahrenheit og fik den til at smelte - i sit krystalvækstlaboratorium for at dyrke LBCO -krystaller.

Samarbejdspartnere ved Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter og University of Oxford dirigerede derefter infrarødt lys, genereret af laserpulser med høj intensitet, ved krystallerne (med lyspolarisationen i en retning vinkelret på planerne) og målte intensiteten af ​​lys reflekteret tilbage fra prøven. Udover det sædvanlige svar - krystallerne reflekterede den samme lysfrekvens, som blev sendt ind - opdagede forskerne et signal tre gange højere end frekvensen af ​​det indfaldende lys.

"For prøver med tredimensionel superledning, den superledende signatur kan ses ved både grundfrekvensen og ved den tredje harmoniske, "sagde Tranquada." For en prøve, hvor ladningsstriber blokerer den superledende strøm mellem lagene, der er ingen optisk signatur ved grundfrekvensen. Imidlertid, ved at køre systemet ud af ligevægt med det intense infrarøde lys, forskerne fremkaldte en netto -kobling mellem lagene, og den superledende signatur viser sig i den tredje harmoniske. Vi havde mistanke om, at elektronparringen var til stede - det krævede bare et stærkere værktøj for at bringe denne superledning frem i lyset. "

Teoretikere fra Hamburgs universitet understøttede denne eksperimentelle observation med analyse og numeriske simuleringer af reflektiviteten.

Denne forskning giver en ny teknik til at undersøge forskellige typer elektroniske ordrer i høj temperatur superledere, og den nye forståelse kan være nyttig til at forklare anden mærkelig adfærd i cuprates.