Fysikere finder overraskende forvrængninger i højtemperatursuperledere

Der er en bogstavelig forstyrrelse i kraften, der ændrer det, fysikere længe har tænkt på som en egenskab ved superledning, ifølge Rice University-forskere.

Risfysikerne Pengcheng Dai og Andriy Nevidomskyy og deres kolleger brugte simuleringer og neutronspredningsforsøg, der viser materialers atomare struktur til at afsløre bittesmå forvrængninger af krystalgitteret i en såkaldt jernpnictidforbindelse af natrium, jern, nikkel og arsen.

Disse lokale forvrængninger blev observeret blandt den ellers symmetriske atomare orden i materialet ved ultrakolde temperaturer nær punktet for optimal superledning. De indikerer, at forskerne kan have lidt slingreplads, da de arbejder på at øge temperaturen, hvor jernpnictider bliver superledere.

Opdagelsen rapporterede i denne uge i Naturkommunikation er resultatet af næsten to års arbejde fra Rice-teamet og samarbejdspartnere i USA, Tyskland og Kina.

Dai og Nevidomskyy, begge medlemmer af Rice Center for Quantum Materials (RCQM), er interesseret i de grundlæggende processer, der giver anledning til nye kollektive fænomener som superledning, som tillader materialer at transmittere elektrisk strøm uden modstand.

Forskere fandt oprindeligt superledning ved ultrakolde temperaturer, der lader atomer samarbejde på måder, der ikke er mulige ved stuetemperatur. Selv kendte "højtemperatur" superledere topper ved 134 Kelvin ved omgivende tryk, svarende til minus 218 grader Fahrenheit.

Så hvis der er håb for udbredt praktisk brug af superledning, videnskabsmænd skal finde smuthuller i den grundlæggende fysik af, hvordan atomer og deres bestanddele opfører sig under en række forskellige forhold.

Det er, hvad Rice-forskerne har gjort med jernpnictidet, en "ukonventionel superleder" af natrium, jern og arsen, især når dopet med nikkel.

For at gøre ethvert materiale superledende, den skal afkøles. Det sender det gennem tre overgange:For det første, en strukturel faseovergang, der ændrer gitteret; sekund, en magnetisk overgang, der ser ud til at omdanne paramagnetiske materialer til antiferromagneter, hvor atomernes spins flugter i forskellige retninger; og for det tredje, overgangen til superledning. Nogle gange er første og anden fase næsten samtidige, afhængig af materialet.

I de fleste ukonventionelle superledere, hvert trin er kritisk for det næste, da elektroner i systemet begynder at binde sig sammen i Cooper-par, at nå topkorrelation på et kvantekritisk punkt, det punkt, hvor den magnetiske orden undertrykkes og superledning opstår.

Men i pnictide-superlederen, forskerne fandt ud af, at den første overgang er lidt uklar, da noget af gitteret fik en egenskab kendt som en nematisk fase. Nematic er hentet fra det græske ord for "tråd-lignende" og er beslægtet med fysikken i flydende krystaller, der justeres i reaktion på en ydre kraft.

Nøglen til materialets superledningsevne synes at ligge i en subtil egenskab, der er unik for jernpnictider:en strukturel overgang i dets krystalgitter, dets ordnede arrangement af dets atomer, fra tetragonal til ortorhombisk. I en tetragonal krystal, atomerne er arrangeret som terninger, der er blevet strakt i én retning. En ortorombisk struktur er formet som en mursten.

Natrium-jern-arsen pnictid-krystaller er kendt for at være tetragonale, indtil de afkøles til en overgangstemperatur, der tvinger gitteret til at blive ortorhombisk, et skridt mod superledning, der opstår ved lavere temperaturer. Men risforskerne var overraskede over at se anomale ortorhombiske områder langt over den strukturelle overgangstemperatur. Dette skete i prøver, der var minimalt dopet med nikkel og vedblev, når materialerne var overdopet, rapporterede de.

"I den tetragonale fase, gitterets (kvadratiske) A- og B-retninger er absolut ens, " sagde Dai, som udførte neutronspredningsforsøg for at karakterisere materialet ved Oak Ridge National Laboratory, National Institute of Standards and Technology Center for Neutron Research og Research Neutron Source på Heinz Maier-Leibnitz Center.

"Når du køler det ned, det bliver i starten ortorhombisk, hvilket betyder, at gitteret spontant kollapser i én akse, og alligevel er der stadig ingen magnetisk orden. Vi fandt ud af, at ved meget præcist at måle denne gitterparameter og dens temperaturafhængighedsforvrængning, vi var i stand til at fortælle, hvordan gitteret ændrer sig som en funktion af temperaturen i det paramagnetiske tetragonale regime."

De var overraskede over at se lommer af en superledende nematisk fase skæve gitteret mod den orthorhombiske form selv over den første overgang.

"Hele papiret antyder, at der er lokale forvrængninger, der opstår ved en temperatur, hvor systemet, i princippet, skal være tetragonal, " sagde Dai. "Disse lokale forvrængninger ændrer sig ikke kun som en funktion af temperaturen, men 'ved' faktisk om superledning. Derefter, deres temperaturafhængighed ændres ved optimal superledningsevne, hvilket antyder, at systemet har et nematisk kvantekritisk punkt, når lokale nematiske faser undertrykkes.

"I bund og grund, det fortæller dig, at denne nematiske orden konkurrerer med selve superledningsevnen, " sagde han. "Men så tyder det på, at den nematiske fluktuation også kan hjælpe superledningsevnen, fordi det ændrer temperaturafhængigheden omkring optimal doping."

At være i stand til at manipulere det punkt med optimal doping kan give forskere bedre mulighed for at designe materialer med nye og forudsigelige egenskaber.

"De elektroniske nematiske udsving vokser sig meget store i nærheden af ​​det kvantekritiske punkt, og de bliver fastklemt af lokale krystalufuldkommenheder og urenheder, manifesterer sig i de lokale forvrængninger, som vi måler, " sagde Nevidomskyy, der ledede den teoretiske side af undersøgelsen. "Det mest spændende aspekt er, at superledning er stærkest, når dette sker, tyder på, at disse nematiske udsving er medvirkende til dens dannelse."