Overraskende elektronisk lidelse i en kobberoxidbaseret keramik

Cuprates, en klasse kobberoxidkeramik, der deler en fælles byggesten af ​​kobber- og iltatomer i et fladt firkantet gitter, er blevet undersøgt for deres evne til at være superledende ved relativt høje temperaturer. I deres uberørte tilstand, imidlertid, de er en særlig form for isolator (et materiale, der ikke let leder elektricitet) kendt som en Mott -isolator.

Når elektriske ladningsbærere - enten elektroner eller mangel på elektroner, kendt som "huller" - tilføjes til en isolator i en proces kaldet doping, isolatoren kan blive et metal, som let leder elektricitet, eller en halvleder, som kan lede elektricitet afhængigt af miljøet. Cuprates, imidlertid, opfører sig hverken som en normal isolator eller som et normalt metal på grund af stærke vekselvirkninger mellem deres elektroner. For at undgå de store energiomkostninger som følge af disse interaktioner, elektronerne organiserer spontant i en kollektiv tilstand, hvor bevægelsen af ​​hver partikel er bundet til alle de andre.

Et eksempel er den superledende tilstand, hvor elektroner bevæger sig i fællesskab og driver med nul netto friktion, når der anvendes et potentiale, en nulmodstandstilstand, som er en definerende egenskab ved en superleder. En anden kollektiv elektronisk tilstand er en "ladningstæthedsbølge, "et udtryk, der er opfundet af den bølgelignende modulering i elektronernes tæthed, hvor elektroner "fryser" til periodiske og statiske mønstre, forhindrer samtidig elektronstrømmen. Denne tilstand er antagonistisk over for den superledende tilstand, og, derfor, vigtigt at studere og forstå. I cuprater, ladningstæthed-bølger foretrækker at tilpasse sig de atomare rækker af kobber og oxygenatomer, der udgør den underliggende krystalstruktur, med bølge "'kamme' ', der forekommer hver tredje til fem enhedsceller, afhængigt af materiale og dopingniveau.

Ved hjælp af en teknik kendt som resonant røntgenspredning til at studere disse ladningstæthedsbølger i to forskellige cupratforbindelser, neodym kobberoxid (Nd ₂ CuO ₄ eller NCO) og praseodymiumkobberoxid (Pr ₂ CuO ₄ eller PCO) dopet med ekstra elektroner, MIT -forskere gjorde en uventet opdagelse. Deres arbejde afslørede en fase af materialet, hvor elektronerne falder i et uordentligt, eller "glasagtig, "arrangement, kaldet et "Wigner -glas". Resultaterne blev for nylig offentliggjort i et papir i Naturfysik .

Resonant røntgenspredning er en nyligt udviklet diffraktionsteknik, hvor krystallografi udføres på elektroner frem for udelukkende på atomerne som ved konventionel røntgendiffraktion. "I grænsen for lav koncentration af dopede elektroner, vi observerede en helt ny og uventet form for elektronisk fase, som hverken er en superfluid eller en krystal, men det har snarere karakteristika som et Wigner -glas. I denne fase, elektronerne danner en kollektiv tilstand uden nogen orienterende præference, "siger papirets seniorforfatter Riccardo Comin, adjunkt i fysik ved MIT. Et sådant amorft elektronglas er fuldstændig uden fortilfælde i denne materialefamilie, tilføjer han.

Dette fænomen dukker kun op i et smalt vindue med elektrondoping. "Spændende nok, denne eksotiske nye tilstand eksisterer kun i en lille region i det elektroniske fasediagram over dette materiale, og når flere elektroner er dopet i [kobberoxid] -planerne, en mere konventionel elektronisk krystal genvindes, hvis krusninger flugter med de krystallografiske akser af det underliggende atomgitter, "Min Gu Kang, papirets hovedforfatter, forklarer.

MIT -teamet, bestående af Comin, kandidatstuderende Kang, og postdoc Jonathan Pelliciari, designet projektet og ledet de fleste forsøg. Deres forskning blev muliggjort af bidrag fra forskere ved forskellige institutioner og faciliteter verden over. Resonante røntgenspredningsmålinger blev udført på flere synkrotronfaciliteter, herunder Berlin Electron Storage Ring i Tyskland, den canadiske lyskilde i Saskatoon, Saskatchewan, Canada, og den avancerede lyskilde, i Berkeley, Californien. Kobberoxid tyndfilmprøverne blev dyrket på NTT Basic Research Laboratories i Japan. Teoretisk analyse blev udviklet af forskere ved Indian Institute of Science i Indien.

Comin bemærker, at den foreslåede teori forklarer den elektroniske båndstrukturs rolle i styringen af ​​den periodiske afstand og mangel på orienteringspræference for densitetsbølgerne som en funktion af dopingniveauet i dette materiale. "Vores teori antyder, at disse elektroniske krusninger i første omgang dannes med uregelmæssige former og sandsynligvis er kernet omkring defekter eller urenheder i materialet, "Comin siger." Når tætheden af ​​bærere stiger, elektronerne formår at finde et mere højtordnet arrangement, der minimerer systemets samlede energi, og derved genoprette de mere konventionelle ladningstæthedsbølger, der er blevet observeret universelt i alle familier af kobberoxid-superledere. "

"Jeg blev helt blæst af Riccardos resultater på NCO og PCO, "siger Peter Abbamonte, Fox Family Professor in Engineering ved University of Illinois i Urbana-Champaign, der udviklede den resonante bløde røntgenspredningsteknik. Bemærk at ordren med ladningstæthed (CDW) i cuprates har været i midten af ​​feltet i godt et årti, Abbamonte, der ikke var involveret i denne forskning, forklarer, at den tidligere forståelse har været, at CDW -ordren er fastgjort til krystalgitteret, betyder, at ladningstæthedsbølgen skal pege i en af ​​to vinkelrette retninger, men ingen steder imellem. Denne konventionelle visdom er bygget på to årtier med resonant spredning og scanning af tunnelmikroskopiforsøg, der altid har fundet ud af at dette er tilfældet, bemærker han.

Comins forskning om disse særlige elektron-dopede kuprater viste, at ladningsordren under den glasagtige fase kan pege i enhver retning, uafhængigt af krystalgitteret, den lever i. "Den mere præcise erklæring er, at CDW-ordensparameteren ikke er Ising-lignende (det vil sige, tager kun diskrete værdier, i dette tilfælde to:x eller y), som man altid har antaget, men ligner mere en XY ordreparameter (dvs. fri til at vælge enhver værdi på et kontinuerligt område, såsom alle retninger mellem x og y, som det er tilfældet her), der kun er svagt påvirket af krystallen, "Siger Abbamonte.

"Det vil tage noget tid for samfundet at fordøje denne erkendelse fuldstændigt og dens konsekvenser for at forstå relevansen af ​​CDW -orden, "Tilføjer Abbamonte." Det er klart, at Riccardos papir vil føre til en seriøs omregning af spillereglerne, og i denne forstand er et stort fremskridt for feltet. "

Superledere har en enorm, stort set uudnyttet potentiale for transformative applikationer såsom kvanteberegning, energitransport uden tab, magnetisk sansning og medicinsk diagnostisk billeddannelse, og plasma- og atomfusionsteknologier.

"Samlet set, vores undersøgelse har afsløret endnu en manifestation af ladningsbæreres udsøgte kvantekarakter i superledere ved høj temperatur, som i sidste ende stammer fra arten af ​​de elektroniske interaktioner, "Comin siger." Den detaljerede adfærd for elektroner, der er afdækket i dette arbejde, giver ny indsigt i, hvordan højtemperatur-superledning ledes ud af en Mott-isolator, og lover at bygge bro mellem regionerne i fasediagrammet med meget kontrasterende fænomenologier. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.