Forskere går ind på uudforsket territorium i superledningssøgning

Forskere, der kortlægger kvanteegenskaberne for superledere - materialer, der leder elektricitet uden energitab - er gået ind i et nyt regime. Ved at bruge nyligt tilsluttede værktøjer ved navn OASIS ved det amerikanske energiministeriums Brookhaven National Laboratory, de har afsløret tidligere utilgængelige detaljer i "fasediagrammet" af en af ​​de mest almindeligt studerede "højtemperatur" superledere. De nyligt kortlagte data inkluderer signaler om, hvad der sker, når superledning forsvinder.

"Med hensyn til superledning, det lyder måske dårligt, men hvis du studerer et eller andet fænomen, det er altid godt at kunne nærme sig det fra dets oprindelse, " sagde Brookhaven-fysiker Tonica Valla, der ledede undersøgelsen, der netop er offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation . "Hvis du har en chance for at se, hvordan superledning forsvinder, som igen kan give indsigt i, hvad der forårsager superledning i første omgang."

At låse op for superledningsevnens hemmeligheder giver store løfter i forhold til at løse energiudfordringer. Materialer, der er i stand til at føre strøm over lange afstande uden tab, ville revolutionere kraftoverførsel, eliminerer behovet for afkøling af computerfyldte datacentre, og føre til nye former for energilagring, for eksempel. Problemet er, at på nuværende tidspunkt, mest kendte superledere, selv de "høje temperatur" varianter, skal selv holdes superkolde for at udføre deres strømførende magi. Så, forskere har forsøgt at forstå de vigtigste egenskaber, der forårsager superledning i disse materialer med det formål at opdage eller skabe nye materialer, der kan fungere ved temperaturer, der er mere praktiske til disse daglige anvendelser.

Brookhaven-teamet studerede en velkendt højtemperatur-superleder lavet af lag, der inkluderer vismutoxid, strontiumoxid, kalk, og kobberoxid (forkortet som BSCCO). Spaltning af krystaller af dette materiale skaber uberørte bismuthoxidoverflader. Da de analyserede den elektroniske struktur af den uberørte kløvede overflade, de så afslørende tegn på superledning ved en overgangstemperatur (Tc) på 94 Kelvin (-179 grader Celsius) - den højeste temperatur, ved hvilken superledning sætter ind for dette velundersøgte materiale.

Holdet opvarmede derefter prøver i ozon (O3) og fandt ud af, at de kunne opnå høje dopingniveauer og udforske tidligere uudforskede dele af dette materiales fasediagram, som er en kortlignende graf, der viser, hvordan materialet ændrer dets egenskaber ved forskellige temperaturer under forskellige forhold (svarende til den måde, man kan kortlægge temperatur- og trykkoordinaterne, ved hvilke flydende vand fryser, når det afkøles, eller skifter til damp ved opvarmning). I dette tilfælde, den variabel, forskerne var interesserede i, var, hvor mange ledige stillinger, eller "huller, " blev tilføjet, eller "doteret" ind i materialet ved udsættelse for ozon. Huller letter strømmen af ​​strøm ved at give ladningerne (elektronerne) et sted at tage hen.

"For dette materiale, hvis du starter med krystal af 'forælder' forbindelse, som er en isolator (hvilket betyder ingen ledningsevne), indførelsen af ​​huller resulterer i superledning, " sagde Valla. Efterhånden som der kommer flere huller, superledningsevnen bliver stærkere og ved højere temperaturer op til et maksimum ved 94 Kelvin, forklarede han. "Derefter, med flere huller, materialet bliver "overdoteret", ' og Tc går ned - for dette materiale, til 50 K.

"Indtil denne undersøgelse, intet tidligere var kendt, fordi vi ikke kunne få krystaller dopet over det niveau. Men vores nye data bringer os til et punkt med doping langt ud over den tidligere grænse, til et punkt, hvor Tc ikke kan måles."

sagde Valla, "Det betyder, at vi nu kan udforske hele den kuppelformede kurve af superledning i dette materiale, hvilket er noget, ingen har været i stand til før."

Holdet skabte prøver opvarmet i et vakuum (for at producere underdopet materiale) og i ozon (for at lave overdopede prøver) og plottede punkter langs hele den superledende kuppel. De opdagede nogle interessante karakteristika i den tidligere uudforskede "fjernside" af fasediagrammet.

"Det, vi så, er, at tingene bliver meget enklere, " sagde Valla. Nogle af de sære egenskaber, der findes på den veludforskede side af kortet og komplicerer videnskabsmænds forståelse af højtemperaturs superledning - ting som en "pseudogap" i den elektroniske signatur, og variationer i partikelspin og ladningstætheder - forsvinder på den overdopede anden side af kuplen.

"Denne side af fasediagrammet ligner noget, vi forventer at se i mere konventionel superledning, " sagde Valla, med henvisning til de ældste kendte metalbaserede superledere.

"Når superledning er fri for disse andre ting, der komplicerer billedet, Så er der tilbage superledning, som måske ikke er så utraditionel, " tilføjede han. "Vi kender måske stadig ikke dens oprindelse, men på denne side af fasediagrammet, det ligner noget, som teorien lettere kan håndtere, og det giver dig en enklere måde at se på problemet for at prøve at forstå, hvad der foregår."