Underlig superleder fører dobbelt liv

Indtil for omkring 50 år siden, alle kendte superledere var metaller. Dette gav mening, fordi metaller har det største antal løst bundne "bærer" -elektroner, der frit kan parres og strømme som elektrisk strøm uden modstand og 100 procent effektivitet - kendetegnet ved superledning.

Så kom der en ulige - strontium titanat, det første oxidmateriale og den første halvleder viste sig at være superledende. Selvom den ikke passer til den klassiske profil af en superleder-den har meget få elektroner til fri bevægelse-bliver den superledende, når forholdene er rigtige, selvom ingen kunne forklare hvorfor.

Nu har forskere undersøgt dets elektroners superledende adfærd i detaljer for første gang. De opdagede, at det er endnu mærkeligere, end de troede. Alligevel er det gode nyheder, de sagde, fordi det giver dem en ny vinkel til at tænke over, hvad der er kendt som "høj temperatur" superledning, et fænomen, der kan udnyttes til en fremtidig generation af perfekt effektive elledninger, svævende tog og andre revolutionerende teknologier.

Forskergruppen, ledet af forskere ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory og Stanford University, beskrev deres undersøgelse i et papir, der blev offentliggjort 30. januar i Procedurer fra National Academy of Sciences .

"Hvis konventionelle metalsupraledere er i den ene ende af et spektrum, strontium titanat er helt nede i den anden ende. Den har den laveste tæthed af tilgængelige elektroner af enhver superleder, vi kender til, "sagde Adrian Swartz, en postdoktor ved Stanford Institute for Materials and Energy Science (SIMES), der ledede den eksperimentelle del af forskningen med Hisashi Inoue, en Stanford -kandidatstuderende dengang.

"Det er et af et stort antal materialer, vi kalder 'utraditionelle' superledere, fordi de ikke kan forklares med nuværende teorier, "Sagde Swartz." Ved at studere dens ekstreme adfærd, vi håber at få indsigt i de ingredienser, der fører til superledning i disse ukonventionelle materialer, herunder dem, der fungerer ved højere temperaturer. "

Duelleringsteorier

Ifølge den almindeligt accepterede teori kendt som BCS for initialerne til sine opfindere, konventionel supraledelse udløses af naturlige vibrationer, der kruser gennem et materiales atomgitterværk. Vibrationerne får bærerelektroner til at parre sig og kondensere til et superfluid, som strømmer gennem materialet uden modstand-en 100 procent effektiv elektrisk strøm. I dette billede, det ideelle superledende materiale indeholder en høj densitet af elektroner i hurtig bevægelse, og selv relativt svage gittervibrationer er nok til at lime elektronpar sammen.

Men uden for teorien, inden for ukonventionelle superledere, ingen ved, hvad der limer elektronparene sammen, og ingen af ​​de konkurrerende teorier holder styr.

For at finde spor til, hvad der foregår inde i strontiumtitanat, forskere måtte finde ud af at anvende et vigtigt værktøj til at studere superledende adfærd, kendt som tunnelspektroskopi, til dette materiale. Det tog flere år, sagde Harold Hwang, en professor ved SLAC og Stanford og SIMES -efterforsker.

"Lysten til at lave dette eksperiment har været der i årtier, men det har været en teknisk udfordring, "sagde han." Dette er, så vidt jeg ved, det første komplette sæt data, der kommer ud af et tunnelforsøg på dette materiale. "Blandt andet holdet var i stand til at observere, hvordan materialet reagerede på doping, en almindeligt anvendt proces, hvor elektroner tilføjes til et materiale for at forbedre dets elektroniske ydeevne.

'Alt er på hovedet'

Tunnelmålingerne afslørede, at strontiumtitanat er det stik modsatte af, hvad du ville forvente i en superleder:Dens gittervibrationer er stærke, og dets bærerelektroner er få og langsomme.

"Dette er et system, hvor alt er på hovedet, "Sagde Hwang.

På den anden side, detaljer som dets elektroners adfærd og tæthed og den energi, der kræves for at danne den superledende tilstand, matcher næsten præcis, hvad du ville forvente af konventionel BCS -teori, Sagde Swartz.

"Dermed, strontiumtitanat ser ud til at være en ukonventionel superleder, der i nogle henseender fungerer som en konventionel, "sagde han." Det er et stort problem, og en stor overraskelse for os. Vi opdagede noget, der var mere forvirrende, end vi oprindeligt troede, som ud fra et grundlæggende fysisk synspunkt er mere dybtgående. "

Han tilføjede, "Hvis vi kan forbedre vores forståelse af superledning i dette forvirrende sæt omstændigheder, vi kunne potentielt lære at høste ingredienserne til realisering af superledning ved højere temperaturer. "

Det næste trin, Swartz sagde, er at bruge tunnelspektroskopi til at teste en række teoretiske forudsigelser om, hvorfor strontiumtitanat virker, som det gør.