Synderen bag superledning hos cuprates

Når det kommer til højtemperatur superledere, "høj" er et relativt begreb. Inden for superledningsevne, "høj temperatur" betyder alt, der stadig kan være superledende over 30 grader Kelvin (K), eller en mild -405 grader Fahrenheit (F).

Den første højtemperatur superleder blev opdaget i 1986, i keramiske forbindelser af kobber og oxygen kendt som kuprater. Disse materialer kan nå superledningsevne omkring 35 grader Kelvin eller -396,67 grader Fahrenheit. I de følgende årtier, at temperaturgrænsen steg, og til dato, forskere har opnået superledningsevne i cuprates ved temperaturer op til 135 grader Kelvin.

Det er vigtigt fremskridt, at være sikker, men superledning ved stuetemperatur, som kræver drift ved 300 grader Kelvin, er stadig langt væk, hvis ikke umuligt.

En af de største forhindringer er, at forskere stadig ikke forstår de fuldstændige underliggende mekanismer for cuprat-superledning, og hvorfor der er en sådan variation i superledende overgangstemperatur blandt cupratforbindelser.

Nu, forskere ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) har muligvis svaret. Forskerne, ledet af Xin Li, Adjunkt i materialevidenskab ved SEAS, fundet, at styrken af ​​en bestemt kemisk binding i cupratforbindelser påvirker den temperatur, ved hvilken materialet opnår superledning.

Forskningen er publiceret i Fysisk gennemgangsbreve .

"Dette kunne være en ny start for at designe materialer med høj-temperatur superledning, " sagde Li. "Vores forskning kaster lys over en nøglekomponent i de komplicerede fænomener i cuprates og peger os i en ny og spændende retning for materialedesign."

Alle cuprater har de samme strukturelle byggesten - lagdelte planer af kobberperoxid (CuO ₂ ) med en oxygenion ud af planet, kendt som den apikale oxygen. Denne oxygenion sidder over hvert kobberatom i CuO ₂ fly, som en bøje på vandoverfladen. Den vigtigste forskel mellem cupratforbindelser kommer fra hvilket andet grundstof der er knyttet til iltbøjen. Dette element er kendt som den apikale kation og kan være en række forskellige elementer, herunder lanthan, vismut, kobber, eller kviksølv.

Temperaturen, ved hvilken materialet bliver superledende, ændres afhængigt af hvilket element, der anvendes, men ingen ved rigtig hvorfor.

Ved at sammenligne simulering og eksperimenter, Li og hans team demonstrerede, at nøglen er bindingen mellem den apikale kation og den apikale ilt - jo stærkere den kemiske binding, den højere temperatur, hvorved materialet bliver superledende.

Men hvorfor hæver denne binding superledende temperaturer?

Superledere beskrives ofte som elektronsuperveje, eller super carpool baner, hvori parrede elektroner er biler og det superledende materiale er det specielle, friktionsfri vej for bilerne at bevæge sig.

Imidlertid, elektroner bevæger sig ikke rigtig hen over en højtemperatur-superleder som en bil på en vej. I stedet, de hopper. Denne hoppeproces gøres meget lettere, når krystalgitteret, som elektronerne bevæger sig på, svinger på en bestemt måde.

En stærk kemisk binding mellem den apikale anion og den apikale kation øger oscillationen af ​​både gitteret og den inducerede elektriske strøm.

Forestil dig en drage bundet til en bøje, og mange sådanne dragebøjeenheder står i kø. Hvis båndet mellem dragen og bøjen er stærkt, dragen kan trække bøjen op og ned, forårsager krusninger og stænk i vandet. Krusningerne er beslægtet med gitteroscillationen, og stænkene repræsenterer elektronerne, der bliver skubbet ud af CuO ₂ fly. Krusningerne og stænkene er ikke kaotiske, hellere, de følger i fællesskab visse regler, der fortæller buyerne, hvordan de skal svinge på den bedste måde for at hjælpe elektronen med let at hoppe langs materialet.

"Vi demonstrerede, at denne strukturelle enhed - kobberiltlaget, den apikale anion, og den apikale kation - er en grundlæggende byggesten, der kan kobles dynamisk for at kontrollere materialets superledende egenskaber, " sagde Li. "Dette åbner en helt ny vej til at udforske materialers superledende egenskaber."

Næste, forskerne sigter efter at undersøge, hvordan denne nye effekt påvirker vores forståelse af det mystiske fasediagram i højtemperatursuperledere, inklusive parringsmekanismen i disse superledere.