Superledning i en legering med kvaskrystalstruktur

Ekstraordinære ting sker ved lave temperaturer. Et af de bedste eksempler er superledning, et fænomen, hvor den elektriske modstand af et fast stof falder til nul under en kritisk temperatur. Kendt i et århundrede, superledning har nu anvendelser i videnskab og industri. Fysik- og kemistuderende kan endda lave deres egne svævende magneter af superledende legeringer.

De fleste superledere, som de fleste faste stoffer, er krystallinske, med atomare strukturer bygget af periodisk gentagne celler. Siden 1980'erne har en alternativ form for fast stof, kvasikrystallet (QC), er blevet fremtrædende. Selvom QC'er har symmetri, som krystaller, de har ingen gentagelsesenheder. Denne mangel på periodicitet resulterer i usædvanlige elektroniske strukturer. Nu, i et studie i Naturkommunikation , et forskerhold ledet af Nagoya University har opdaget superledning i en QC for første gang.

Holdet undersøgte en legering af aluminium, zink og magnesium. Den krystallinske version er kendt for at være superledende. Imidlertid, strukturen af ​​Al-Zn-Mg afhænger af forholdet mellem de tre elementer. Holdet fandt ud af, at Al havde en afgørende effekt på legeringens egenskaber. Som undersøgelsens første forfatter Keisuke Kamiya bemærker, "Da vi reducerede Al -indholdet, mens vi holdt Mg -indholdet næsten konstant, den kritiske temperatur for superledelse faldt først gradvist fra ~ 0,8 til ~ 0,2 K. ved 15% Al, to ting skete:legeringen omdannet til en kvasikrystal, og den kritiske temperatur faldt til ~ 0,05 K. "

Denne ekstremt lave kritiske temperatur, kun 1/20 af en grad over det absolutte nulpunkt, forklarer, hvorfor superledning i QC'er har vist sig så svært at opnå. Ikke desto mindre, QC -legeringen viste to arketypiske træk ved superledere:et spring i specifik varme ved den kritiske temperatur, og den næsten totale udelukkelse af magnetisk flux fra det indre, kendt som Meissner -effekten.

Superledning i konventionelle krystaller er nu velforstået. Ved tilstrækkelig lav temperatur, de negativt ladede elektroner overvinder deres gensidige frastødning og tiltrækker hinanden, går sammen i par. Disse "Cooper-par" smelter sammen til et Bose-Einstein-kondensat, en kvantetilstand af stof med nul elektrisk modstand. Imidlertid, tiltrækningen mellem elektroner afhænger af deres interaktion med det faste gitter, og konventionel teori antager, at dette er en periodisk krystal, frem for en QC.

For oprindelsen af ​​superledning i QC-legeringen, holdet overvejede tre muligheder. Den mest eksotiske var "kritiske egenstater":særlige elektroniske tilstande findes kun nær absolut nul. De elektroniske egenstater udvides i krystaller, og lokaliseret i tilfældige faste stoffer men det rumlige omfang af de kritiske egenstater i QC'er - som hverken er periodiske eller tilfældige - er uklart. Imidlertid, holdet udelukkede dem ud fra deres målinger. Det førte tilbage til Cooper -par, i enten den udvidede eller den mindre almindelige "svage kobling" variant. Faktisk, legeringen lignede tæt på en typisk svagkobling superleder.

"Det er interessant, at superlegeringen af ​​denne legering ikke var knyttet til dens kvasikrystallinitet, men lignede det i såkaldte beskidte krystaller, "siger den tilsvarende forfatter Noriaki K. Sato." Dog, teorien om kvasikrystaller forudsiger også en anden form for superledning, baseret på fraktal geometri i QC'er. Vi mener, at der er en stærk mulighed for, at fraktal supraledelse i det mindste bidrager, og vi ville være spændte på endelig at måle det. "

Artiklen, "Opdagelse af superledning i kvasikrystal, "blev offentliggjort i Naturkommunikation .