Et andet spin på superledelse - Usædvanlige partikelinteraktioner åbner nye muligheder for eksotiske materialer

Når du tilslutter et apparat eller tænder for en lyskontakt, elektricitet ser ud til at flyde øjeblikkeligt gennem ledninger i væggen. Men faktisk, elektriciteten bæres af små partikler kaldet elektroner, der langsomt driver gennem ledningerne. På deres rejse, elektroner støder indimellem ind i materialets atomer, opgiver noget energi ved hver kollision.

I hvilken grad elektroner bevæger sig uhindret bestemmer, hvor godt et materiale kan lede elektricitet. Miljøændringer kan forbedre ledningsevnen, i nogle tilfælde drastisk. For eksempel, når visse materialer afkøles til kolde temperaturer, elektroner går sammen, så de kan flyde uhæmmet, uden overhovedet at miste energi - et fænomen kaldet superledning.

Nu har et team af forskere fra University of Maryland (UMD) Department of Physics sammen med kollaboratører set eksotisk superledning, der er afhængig af meget usædvanlige elektroninteraktioner. Selvom det forudsiges at forekomme i andre ikke-materielle systemer, denne type adfærd er forblevet undvigende. Teamets forskning, udgivet i 6. april -udgaven af Videnskab fremskridt , afslører effekter, der er meget forskellige fra alt, hvad der før er set med superledning.

Elektroninteraktioner i superledere dikteres af en kvanteegenskab kaldet spin. I en almindelig superleder, elektroner, som bærer et spin på ½, parres og flyder uhæmmet ved hjælp af vibrationer i atomstrukturen. Denne teori er godt testet og kan beskrive adfærden hos de fleste superledere. I denne nye forskning, holdet afdækker beviser for en ny type superledning i materialet YPtBi, en der synes at stamme fra spin-3/2 partikler.

"Ingen havde virkelig troet, at dette var muligt i faste materialer, "forklarer Johnpierre Paglione, en UMD -fysikprofessor og seniorforfatter på undersøgelsen. "Tilstande med høj spin i individuelle atomer er mulige, men når du først har sat atomerne sammen i et fast stof, disse tilstande bryder normalt fra hinanden, og du ender med en halv spin. "

At finde ud af, at YPtBi var en superleder, overraskede forskerne i første omgang. De fleste superledere starter som rimeligt gode ledere, med en masse mobile elektroner - en ingrediens, som YPtBi mangler. Ifølge den konventionelle teori, YPtBi ville have brug for omkring tusind gange flere mobile elektroner for at blive superledende ved temperaturer under 0,8 Kelvin. Og stadigvæk, ved afkøling af materialet til denne temperatur, holdet så alligevel superledning. Dette var et første tegn på, at der foregik noget eksotisk inde i dette materiale.

Efter at have opdaget den uregelmæssige superledende overgang, forskere foretog målinger, der gav dem indsigt i den underliggende elektronparring. De studerede et sigende træk ved superledere - deres interaktion med magnetfelter. Efterhånden som materialet undergår overgangen til en superleder, den vil forsøge at udvise ethvert tilføjet magnetfelt fra dens indre. Men udvisningen er ikke helt perfekt. Tæt på overfladen, magnetfeltet kan stadig komme ind i materialet, men falder derefter hurtigt væk. Hvor langt det går ind afhænger af elektronparringens art, og ændrer sig, efterhånden som materialet afkøles yderligere og længere.

For at undersøge denne effekt, forskerne varierede temperaturen i en lille prøve af materialet, mens de blev udsat for et magnetfelt mere end ti gange svagere end Jordens. En kobberspiral, der omgiver prøven, opdagede ændringer i superlederens magnetiske egenskaber og tillod teamet sensitivt at måle små variationer i, hvor dybt magnetfeltet nåede inde i superlederen.

Målingen afslørede en usædvanlig magnetisk indtrængen. Da materialet varmede fra absolut nul, feltpenetrationsdybden for YPtBi steg lineært i stedet for eksponentielt som for en konventionel superleder. Denne effekt, kombineret med andre målinger og teoriberegninger, begrænsede de mulige måder, hvorpå elektroner kunne parre sig. Forskerne konkluderede, at den bedste forklaring på superledningen var elektroner forklædt som partikler med et højere spin - en mulighed, der ikke engang var blevet overvejet før inden for rammerne af konventionel superledning.

Opdagelsen af ​​denne high-spin superleder har givet en ny retning for dette forskningsfelt. "Vi plejede at være begrænset til parring med halvparten af ​​spin, "siger Hyunsoo Kim, hovedforfatter og en UMD -assisterende forsker. "Men hvis vi begynder at overveje et højere spin, så udvides landskabet for denne superledende forskning og bliver bare mere interessant. "

For nu, der er mange åbne spørgsmål tilbage, herunder, hvordan en sådan parring i første omgang kunne forekomme. "Når du har denne high-spin-parring, hvad er den lim, der holder disse par sammen? "siger Paglione." Der er nogle ideer om, hvad der kan ske, men der er stadig grundlæggende spørgsmål, hvilket gør det endnu mere fascinerende. "