Forskere foretager første detaljerede målinger af nøglefaktorer relateret til høj temperatur superledning

I superledende materialer, elektroner parres og kondenseres til en kvantetilstand, der bærer elektrisk strøm uden tab. Dette sker normalt ved meget lave temperaturer. Forskere har gjort en altomfattende indsats for at udvikle nye typer superledere, der arbejder tæt på stuetemperatur, hvilket ville spare enorme mængder energi og åbne en ny rute for design af kvanteelektronik. At komme dertil, de er nødt til at finde ud af, hvad der udløser denne form for superledning ved høj temperatur, og hvordan man får det til at ske efter behov.

Nu, i uafhængige undersøgelser rapporteret i Videnskab og Natur , forskere fra Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory og Stanford University rapporterer om to vigtige fremskridt:De målte kollektive vibrationer af elektroner for første gang og viste, hvordan kollektive vekselvirkninger mellem elektronerne og andre faktorer ser ud til at øge superledningsevnen.

Udført med forskellige kobberbaserede materialer og med forskellige banebrydende teknikker, eksperimenterne opstiller nye tilgange til at undersøge, hvordan ukonventionelle superledere fungerer.

"I bund og grund, hvad vi prøver at gøre er at forstå, hvad der gør en god superleder, "sagde medforfatter Thomas Devereaux, professor ved SLAC og Stanford og direktør for SIMES, Stanford Institute for Materials and Energy Sciences, hvis efterforskere ledede begge undersøgelser.

"Hvad er de ingredienser, der kan give anledning til superledning ved temperaturer langt over, hvad de er i dag?" han sagde. "Disse og andre nyere undersøgelser indikerer, at atomgitteret spiller en vigtig rolle, giver os håb om, at vi vinder frem med at besvare det spørgsmål. "

Højtemperaturpuslespillet

Konventionelle superledere blev opdaget i 1911, og forskere ved, hvordan de fungerer:Fritflydende elektroner tiltrækkes af et materiales gitter af atomer, som har en positiv ladning, på en måde, der lader dem parre sig og flyde som elektrisk strøm med 100 procent effektivitet. I dag, superledende teknologi bruges i MR -maskiner, maglev-tog og partikelacceleratorer.

Men disse superledere fungerer kun, når de afkøles til temperaturer så kolde som det ydre rum. Så da forskere i 1986 opdagede, at en familie af kobberbaserede materialer kendt som cuprates kan superleder meget højere, selvom det stadig er temmelig koldt, temperaturer, de var opstemte.

Driftstemperaturen for cuprates er steget lige siden - den nuværende rekord er omkring 120 grader Celsius under vandets frysepunkt - da forskere undersøger en række faktorer, der enten kan øge eller forstyrre deres superledning. Men der er stadig ingen enighed om, hvordan cuprates fungerer.

"Nøglespørgsmålet er, hvordan kan vi lave alle disse elektroner, som i høj grad opfører sig som individer og ikke ønsker at samarbejde med andre, kondensere til en kollektiv stat, hvor alle parter deltager og giver anledning til denne bemærkelsesværdige kollektive adfærd? "sagde Zhi-Xun Shen, en SLAC/Stanford -professor og SIMES -efterforsker, der deltog i begge undersøgelser.

Boost bag kulisserne

En af de nye undersøgelser, ved SLACs Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL), tog et systematisk kig på, hvordan "doping" - tilføjelse af et kemikalie, der ændrer tætheden af ​​elektroner i et materiale - påvirker superledningen og andre egenskaber ved en kopat kaldet Bi2212.

Samarbejdende forskere ved National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) i Japan forberedte prøver af materialet med lidt forskellige niveauer af doping. Derefter undersøgte et team ledet af SIMES-forsker Yu He og SSRL-personaleforsker Makoto Hashimoto prøverne på SSRL med vinkelopløst fotoemissionsspektroskopi, eller ARPES. Det bruger en kraftig stråle af røntgenlys til at sparke individuelle elektroner ud af et prøvemateriale, så deres momentum og energi kan måles. Dette afslører, hvad elektronerne i materialet laver.

I dette tilfælde, efterhånden som dopingniveauet steg, den maksimale superledende temperatur for materialet toppede og faldt igen, Han sagde.

Holdet fokuserede på prøver med særligt robuste superledende egenskaber. De opdagede, at tre sammenvævede effekter - elektroners interaktioner med hinanden, med gittervibrationer og med selve superledningen - forstærke hinanden i en positiv feedback -loop, når forholdene er rigtige, øge superledningsevnen og hæve materialets superledende temperatur.

Små ændringer i doping forårsagede store ændringer i superledningsevne og i elektronernes interaktion med gittervibrationer, Sagde Devereaux. Det næste trin er at finde ud af, hvorfor netop dette dopingniveau er så vigtigt.

"En populær teori har været, at snarere end at atomgitteret er kilden til elektronparringen, som i konventionelle superledere, elektronerne i højtemperatur-superledere danner en form for sammensværgelse af sig selv. Dette kaldes elektronisk korrelation, " Yu Han sagde. "For eksempel, hvis du havde et rum fyldt med elektroner, de ville sprede sig. Men hvis nogle af dem kræver mere individuelt rum, andre bliver nødt til at presse tættere på for at imødekomme dem. "

I dette studie, Han sagde, "Det vi finder er, at gitteret trods alt har en rolle bag kulisserne, og vi har muligvis overset en vigtig ingrediens til høj temperatur superledning i de sidste tre årtier, "en konklusion, der hænger sammen med resultaterne af tidligere forskning foretaget af SIMES -gruppen.

Elektron 'Sound Waves'

Den anden undersøgelse, udført på European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) i Frankrig, brugte en teknik kaldet resonant uelastisk røntgenspredning, eller RIXS, at observere elektronernes kollektive adfærd i lagdelte cuprater kendt som LCCO og NCCO.

RIXS ophidser elektroner dybt inde i atomer med røntgenstråler, og måler derefter det lys, de afgiver, når de slår sig ned på deres oprindelige pletter.

I fortiden, de fleste undersøgelser har kun fokuseret på elektronernes adfærd i et enkelt lag af cupratmateriale, hvor elektroner vides at være meget mere mobile end de er mellem lag, sagde videnskabsmand fra SIMES Wei-Sheng Lee. Han ledede undersøgelsen med Matthias Hepting, som nu er på Max Planck Institute for Solid State Research i Tyskland.

Men i dette tilfælde, teamet ønskede at teste en idé rejst af teoretikere - at energien genereret af elektroner i et lag frastødende elektroner i det næste spiller en kritisk rolle i dannelsen af ​​den superledende tilstand.

Når lyset er spændt, denne frastødningsenergi fører elektroner til at danne en karakteristisk lydbølge kendt som en akustisk plasmon, som teoretikere forudsiger kunne stå for så meget som 20 procent af stigningen i superledende temperatur set i cuprates.

Med det seneste inden for RIXS-teknologi, SIMES -teamet var i stand til at observere og måle disse akustiske plasmoner.

"Her ser vi for første gang, hvordan akustiske plasmoner formerer sig gennem hele gitteret, "Sagde Lee." Selvom dette ikke løser spørgsmålet om, hvor energien, der er nødvendig for at danne den superledende tilstand, stammer fra, det fortæller os, at den lagdelte struktur i sig selv påvirker, hvordan elektronerne opfører sig på en meget dyb måde. "

Denne observation sætter scenen for fremtidige undersøgelser, der manipulerer lydbølgerne med lys, for eksempel, på en måde, der forbedrer superledningen, sagde Lee. Resultaterne er også relevante for udvikling af fremtidig plasmonisk teknologi, han sagde, med en række applikationer fra sensorer til fotoniske og elektroniske enheder til kommunikation.