Forskere udpeger energi, der strømmer gennem vibrationer i superledende krystaller

Manipulering af energistrømmen gennem superledere kan radikalt transformere teknologi, måske fører til applikationer som ultrahurtig, højeffektive kvantecomputere. Men denne subtile dynamik – inklusive varmespredning – udspiller sig med absurd hastighed på tværs af svimlende subatomære strukturer.

Nu, videnskabsmænd har sporet aldrig før sete interaktioner mellem elektroner og krystalgitterstrukturen af ​​kobberoxid-superledere. Samarbejdet, ledet af videnskabsmænd ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Brookhaven National Laboratory, opnået målepræcision hurtigere end en trilliontedel af et sekund gennem en banebrydende kombination af eksperimentelle teknikker.

"Dette gennembrud tilbyder direkte, grundlæggende indsigt i de forvirrende egenskaber ved disse bemærkelsesværdige materialer, " sagde Brookhaven Lab-forsker Yimei Zhu, der ledede forskningen. "Vi havde allerede beviser på, hvordan gittervibrationer påvirker elektronaktivitet og spreder varme, men det hele var gennem fradrag. Nu, endelig, vi kan se det direkte."

Resultaterne, offentliggjort 27. april i tidsskriftet Videnskabens fremskridt , kunne fremme forskning i kraftfulde, flygtige fænomener fundet i kobberoxider – inklusive højtemperatursuperledning – og hjælper videnskabsmænd med at konstruere nye, bedre ydende materialer.

"Vi fandt et nuanceret atomlandskab, hvor visse højfrekvente, 'varme' vibrationer i superlederen absorberer hurtigt energi fra elektroner og øges i intensitet, " sagde førsteforfatter Tatiana Konstantinova, en ph.d. studerende ved Stony Brook University og laver sit specialearbejde på Brookhaven Lab. "Andre sektioner af gitteret, imidlertid, var langsomme til at reagere. At se denne form for trindelt interaktion forvandler vores forståelse af kobberoxider."

Forskere brugte ultrahurtig elektrondiffraktion og fotoemissionsspektroskopi til at observere ændringer i elektronenergi og momentum samt fluktuationer i atomstrukturen.

Andre samarbejdende institutioner omfatter SLAC National Accelerator Laboratory, North Carolina State University, Georgetown University, og universitetet i Duisburg-Essen i Tyskland.

Vibrationer gennem et krystallinsk træ

Holdet valgte Bi ₂ Sr ₂ CaCu ₂ O ₈ , et velkendt superledende kobberoxid, der udviser de stærke vekselvirkninger, der er centrale for undersøgelsen. Selv ved temperaturer tæt på det absolutte nulpunkt, det krystallinske atomgitter vibrerer og meget små energiimpulser kan få vibrationerne til at stige i amplitude.

"Disse atomvibrationer er regimenteret og diskrete, hvilket betyder, at de deler sig på tværs af specifikke frekvenser, " sagde Zhu. "Vi kalder vibrationer med specifikke frekvenser 'fononer, ' og deres interaktioner med strømmende elektroner var vores mål."

Dette system af interaktioner er lidt ligesom distributionen af ​​vand gennem et træ, Konstantinova forklarede. Udsat for regn, kun rødderne kan optage vandet, før det spredes gennem stammen og ind i grenene.

"Her, vandet er som energi, regner ned over superlederens forgreningsstruktur, og jorden er som vores elektroner, " sagde Konstantinova. "Men de elektroner vil kun interagere med visse fononer, hvilken, på tur, omfordele energien. Disse fononer er som de skjulte, meget interaktive 'rødder', som vi skulle opdage."

Stråledrevne atomare snapshots

Atomerne bøjer og skifter på ekstremt hurtige tidsskalaer - tænk på 100 femtosekunder, eller millioner milliardtedele af et sekund – og disse bevægelser skal identificeres for at forstå deres effekt. Og, ideelt set, dissekere og manipulere disse interaktioner.

Holdet brugte en specialudviklet, lagdelt vismutbaseret forbindelse, som kan spaltes til 100 nanometer prøver gennem den relativt enkle påføring af Scotch tape.

Materialet blev derefter testet ved hjælp af den såkaldte "pumpe-probe" teknik med million-elektron-volt ultrahurtig elektrondiffraktion (MeV-UED). Som i lignende tidsopløste eksperimenter, en hurtig lysimpuls (pumpe) ramte prøven, varer i kun 100 femtosekunder og afsætter energi. En elektronstråle fulgte, hoppede af krystalgitteret, og en detektor målte dets diffraktionsmønster. Gentagelse af denne proces – som en række atomare snapshots – afslørede den hurtige, subtile skift af atomare vibrationer over tid.

Efter de indledende MeV-UED eksperimenter på Brookhaven Lab, dataindsamlingen fortsatte på SLAC National Accelerator Laboratorys UED-facilitet under flytningen af ​​Brookhaven-instrumentet til en anden bygning. Kolleger på SLAC UED-anlægget, ledet af Xijie Wang, assisteret i forsøget.

elektrondiffraktionen, imidlertid, gav kun halvdelen af ​​billedet. Brug af tids- og vinkelopløst fotoemissionsspektroskopi (tr-ARPES), holdet sporede ændringerne i elektroner i materialet. En indledende laser ramte prøven, og en anden fulgte hurtigt - igen med 100 femtosekunders præcision - for at sparke elektroner væk fra overfladen. Detektering af disse flyvende elektroner afslørede ændringer over tid i både energi og momentum.

Tr-ARPES-eksperimenterne blev udført på anlægget i University Duisburg-Essen af ​​Brookhaven Lab-forskerne Jonathan Rameau og Peter Johnson og deres tyske kolleger. Forskere fra North Carolina State University og Georgetown University ydede teoretisk støtte.

"Begge eksperimentelle teknikker er ret sofistikerede og kræver indsats fra eksperter på tværs af flere discipliner, fra laseroptik til acceleratorer og kondenseret stoffysik, " sagde Konstantinova. "Kaliberen af ​​instrumenterne og kvaliteten af ​​prøven gjorde det muligt for os at skelne mellem forskellige typer gittervibrationer."

Holdet viste, at de atomare vibrationer, der er tydelige i elektron-gitter-interaktionerne, er varierede og, på nogle måder, ulogisk.

Når gitteret optager energi fra elektroner, amplituden af ​​højfrekvente fononer stiger først, mens de laveste frekvens vibrationer stiger sidst. De forskellige hastigheder af energiflow mellem vibrationer betyder, at prøven, når de udsættes for et udbrud af fotoner, bevæger sig gennem nye stadier, der ville blive omgået, hvis de blot udsættes for varme.

"Vores data guider de nye kvantitative beskrivelser af ikke-ligevægtsadfærd i komplekse systemer, "Konstantinova sagde. "Den eksperimentelle tilgang gælder let for andre spændende materialer, hvor elektron-gitter-interaktioner er af stor interesse."