Elektron (eller hul) par overlever muligvis bestræbelser på at dræbe superledning

Forskere, der søger at forstå mekanismen, der ligger til grund for superledning i "stribeordnede" kuprater-kobberoxidmaterialer med skiftevis områder af elektrisk ladning og magnetisme-opdagede en usædvanlig metallisk tilstand, når de forsøgte at slukke superledning. De fandt ud af, at under betingelserne for deres eksperiment, selv efter at materialet har mistet sin evne til at bære elektrisk strøm uden energitab, den bevarer en vis ledningsevne - og muligvis de elektron (eller hul) par, der kræves for dens superledende superkraft.

"Dette arbejde giver omstændigheder, der beviser, at det stribeordnede arrangement af ladninger og magnetisme er godt til at danne de ladningsbærerpar, der kræves for, at superledningen fremkommer, "sagde John Tranquada, en fysiker ved U.S. Department of Energy's Brookhaven National Laboratory.

Tranquada og hans medforfattere fra Brookhaven Lab og National High Magnetic Field Laboratory ved Florida State University, hvor noget af arbejdet blev udført, beskrive deres fund i et papir, der netop er offentliggjort i Videnskab fremskridt . Et relateret papir i Procedurer fra National Academy of Sciences af medforfatter Alexei Tsvelik, en teoretiker ved Brookhaven Lab, giver indsigt i de teoretiske grundlag for observationerne.

Forskerne studerede en bestemt formulering af lanthanbariumkobberoxid (LBCO), der udviser en usædvanlig form for superledning ved en temperatur på 40 Kelvin (-233 grader Celsius). Det er relativt varmt inden for superledere. Konventionelle superledere skal afkøles med flydende helium til temperaturer nær -273 ° C (0 Kelvin eller absolut nul) for at bære strøm uden energitab. At forstå mekanismen bag en sådan "høj temperatur" superledning kan lede til opdagelsen eller det strategiske design af superledere, der fungerer ved højere temperaturer.

"I princippet, sådanne superledere kunne forbedre den elektriske infrastruktur med energitabstransmissionslinjer uden energitab, "Sagde Tranquada, "eller bruges i kraftige elektromagneter til applikationer som magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) uden behov for dyr køling."

Mysteriet om high-Tc

LBCO var den første højtemperatur (høj-Tc) superleder opdaget, omkring 33 år siden. Det består af lag af kobberoxid adskilt af lag bestående af lanthan og barium. Barium bidrager med færre elektroner end lanthan til kobberoxidlagene, så i et bestemt forhold, ubalancen efterlader ledige elektroner kendt som huller, i cuprate -flyene. Disse huller kan fungere som ladningsbærere og parre sig, ligesom elektroner, og ved temperaturer under 30K, strøm kan bevæge sig gennem materialet uden modstand i tre dimensioner - både inden for og mellem lagene.

En underlig egenskab ved dette materiale er, at i kobberoxidlagene, ved den særlige bariumkoncentration, hullerne segregerer i "striber", der skifter med områder med magnetisk justering. Siden denne opdagelse, i 1995, der har været megen debat om den rolle, disse striber spiller for at fremkalde eller hæmme supraledelse.

I 2007, Tranquada og hans team opdagede den mest usædvanlige form for superledning i dette materiale ved den højere temperatur på 40K. Hvis de ændrede mængden af ​​barium til at være lige under den mængde, der tillod 3D-superledelse, de observerede 2-D superledningsevne-det vil sige lige inden for kobberoxidlagene, men ikke mellem dem.

"De superledende lag ser ud til at afkoble sig fra hinanden, "Tsvelik, teoretikeren, sagde. Strømmen kan stadig flyde uden tab i nogen retning inden for lagene, men der er resistivitet i retningen vinkelret på lagene. Denne observation blev fortolket som et tegn på, at ladningsbærerpar dannede "pardensitetsbølger" med orienteringer vinkelret på hinanden i tilstødende lag. "Derfor kan parrene ikke hoppe fra lag til et andet. Det ville være som at forsøge at fusionere ind i trafik, der bevæger sig i en vinkelret retning. De kan ikke fusionere, "Sagde Tsvelik.

Superledende striber er svære at slå ihjel

I det nye forsøg, forskerne dykkede dybere i at undersøge oprindelsen til den usædvanlige superledning i den særlige formulering af LBCO ved at forsøge at ødelægge den. "Ofte tester vi ting ved at skubbe dem til fiasko, "Sagde Tranquada. Deres ødelæggelsesmetode var at udsætte materialet for kraftige magnetfelter genereret i Florida State.

"Når det ydre felt bliver større, strømmen i superlederen vokser sig større og større for at forsøge at fjerne magnetfeltet, "Forklarede Tranquada." Men der er en grænse for strømmen, der kan flyde uden modstand. At finde den grænse burde fortælle os noget om, hvor stærk superlederen er. "

For eksempel, hvis striberne af ladningsordre og magnetisme i LBCO er dårlige for superledelse, et beskedent magnetfelt skulle ødelægge det. "Vi troede, at ladningen måske ville blive frosset i striberne, så materialet ville blive en isolator, "Sagde Tranquada.

Men superledningen viste sig at være meget mere robust.

Ved hjælp af perfekte krystaller af LBCO dyrket af Brookhaven -fysikeren Genda Gu, Yangmu Li, en postdoktor, der arbejder i Tranquadas laboratorium, tog målinger af materialets modstand og ledningsevne under forskellige forhold på National High Magnetic Field Laboratory. Ved en temperatur lige over det absolutte nul uden magnetfelt til stede, materialet udstillet fuldt ud, 3-D superledning. Hold temperaturen konstant, forskerne måtte øge det ydre magnetfelt betydeligt for at få 3D-superledningen til at forsvinde. Endnu mere overraskende, da de øgede feltstyrken yderligere, modstanden inden for kobberoxidplanerne faldt til nul igen!

"Vi så den samme 2-D superledningsevne, som vi havde opdaget ved 40K, "Sagde Tranquada.

Ramping op af feltet ødelagde yderligere 2-D superledningen, men det ødelagde aldrig materialets evne til at bære almindelig strøm.

"Modstanden voksede, men derefter udjævnes, "Noterede Tranquada.

Tegn på vedvarende par?

Yderligere målinger foretaget under det højeste magnetiske felt indikerede, at ladningsbærerne i materialet, selvom den ikke længere er superledende, kan stadig eksistere som par, Sagde Tranquada.

"Materialet bliver et metal, der ikke længere afbøjer strømmen af ​​strøm, "Sagde Tsvelik." Når du har en strøm i et magnetfelt, du ville forvente en vis afbøjning af ladningerne - elektroner eller huller - i retningen vinkelret på strømmen [hvad forskere kalder Hall -effekten]. Men det er ikke det, der sker. Der er ingen afbøjning. "

Med andre ord, selv efter at superledningen er ødelagt, materialet beholder en af ​​nøglesignaturerne i "pardensitetsbølgen", der er karakteristisk for den superledende tilstand.

"Min teori relaterer tilstedeværelsen af ​​de ladningsrige striber med eksistensen af ​​magnetiske øjeblikke mellem dem og dannelsen af ​​par-densitet-bølgetilstanden, "Tsvelik sagde." Observationen af ​​afladning uden ladning ved høje felter viser, at magnetfeltet kan ødelægge den kohærens, der er nødvendig for superledningsevne, uden nødvendigvis at ødelægge pardensitetsbølgen. "

"Sammen giver disse observationer yderligere bevis for, at striberne er gode til parring, "Sagde Tranquada." Vi ser 2-D-superledningen dukke op igen ved højt felt og derefter, på et endnu højere felt, når vi mister 2-D superledningen, materialet bliver ikke bare en isolator. Der flyder stadig noget strøm. Vi har muligvis mistet sammenhængende bevægelse af par mellem striberne, men vi kan stadig have par inden for striberne, der kan bevæge sig usammenhængende og give os en usædvanlig metallisk adfærd. "