Leiden fysikere billede klumpet superleder

Højtemperatursuperledning er et af fysikkens store mysterier. Milan Allans forskergruppe brugte et Josephson Scanning Tunneling Microscope til at afbilde rumlige variationer af superledende partikler for første gang, og publiceret om det i tidsskriftet Natur .

"Et af mysterierne ved højtemperatursuperledere er muligheden for at være inhomogene. Det betyder, at tætheden af ​​Cooper-parrene, der forårsager superledningsevnen, ændrer sig over rummet, " siger fysiker Milan Allan fra LION, 'Vi beviste, at Ja, Der findes meget inhomogene superledere, ved at afbilde dem for første gang."

Opdagelsen gav Doohee Cho, Koen Bastiaans, Damianos Chatzopoulos og Allan et Nature papir, og kan hjælpe med at forklare den mystiske højtemperatursuperledning.

Konventionel superledning, hvor et materiale leder en elektrisk strøm uden nogen målbar modstand, blev opdaget i 1911. Leiden-fysiker Heike Kamerlingh Onnes bemærkede, at kviksølvs elektriske modstand forsvandt ved en temperatur på 4,2 grader over det absolutte nulpunkt.

Sejlbåde

Det var mærkeligt og uventet, fordi normalt, elektroner, der strømmer gennem et metal, vil støde ind i atomer eller uregelmæssigheder i krystalstrukturen, fører til elektrisk modstand.

Først i 1957, fænomenet blev forklaret af fysikerne Bardeen, Cooper og Schrieffer. De viste, hvordan elektroner, der strømmer gennem en krystal, kan mærke hinanden på afstand, via vibrationer i krystalgitteret, fører dem til at parre og danne såkaldte Cooper-par.

Bortset fra elektroner, Cooper-par kan smelte sammen og danne ét stort kollektiv, bevæger sig gennem krystallen. Dette kollektiv er meget større end individuelle atomer eller defekter, og det vil ikke mærke dem. Det er lidt ligesom den gigantiske bølge, der strømmer gennem et felt af sejlbåde uhindret, hvor små bølger vil blive stoppet af individuelle både.

Højtemperatur superledere

uventet, i 1986 opdagede de schweiziske fysikere Bednorz og Müller en klasse af materialer, der superledende ved usædvanligt 'varme' temperaturer op til 90 grader over det absolutte nulpunkt. Varm nok til at tale om højtemperatursuperledning."

Dette lover et væld af applikationer inden for teknologi, lige fra praktisk talt tabsfri elledninger til svævende tog, hvis den kritiske temperatur kunne stige til stuetemperatur.

"Men løftet blev ikke opfyldt, " siger Allan. Nogle applikationer kommer langsomt på markedet, men den kritiske temperatur gik i stå, måske fordi den dag i dag, teoretiske fysikere forstår ikke helt ukonventionel superledning, trods årtiers eksperimenter og teoretisering.

Hvad man har vidst, er, at Cooper-par i disse superledere er meget mindre og sparsommere sammenlignet med konventionelle superledere.

Josephson mikroskop

"Der har været talt om denne inhomogenitet i årevis, " siger Allan. For endelig at visualisere det, Allans gruppe brugte en særlig slags Scanning Tunneling-mikroskop (STM), som afbilder en prøve ved at flytte en lille nålespids over overfladen. Mens nålen scanner overfladen, de lokale egenskaber måles, giver et billede med atomopløsning.

Den specifikke type STM kaldes en Josephson-STM, hvor spidsen er dækket af superledende bly. Den bruger Josephson-effekten:to superledende strømme kan krydse et lille ikke-ledende mellemrum, i dette tilfælde mellemrummet mellem spidsen og prøven. Ved omhyggeligt at måle denne Josephson-strøm, tætheden af ​​Cooper-parrene kan måles. Ved hjælp af andre mikroskoper, det kan samtidig kortlægge sammenhængen mellem Cooper-parrene, et mål for deres stabilitet.

Lumpy Cooper par

Billederne, hver tager omkring tre dages scanning, viste, at sammenhængen og tætheden var meget inhomogene.

For at udelukke muligheden for, at dette er forårsaget af inhomogeniteter i selve krystallen, fysikerne afbildede også atomerne, men dette gav et helt andet mønster. "Dette viser, at inhomogeniteten ikke blot er en konsekvens af krystalgitteret, men i stedet, det er en egenskab af Cooper-parrene selv, " siger Allan.

Josephson STM'er var blevet bygget og brugt før, men ikke med den opløsning og pålidelighed, der gav disse billeder. "Det er en sum af mange individuelle tekniske forbedringer, som tillod os at gøre dette. Og også at vælge den rigtige prøve." Det omhyggeligt udvalgte jerntellurid-selenid (FeTeSe) er en højtemperatur-superleder, men en forholdsvis enkel

Et nyt objektiv

Resultaterne kan yderligere hjælpe teoretikere, såsom LION-fysikere Jan Zaanen og Koenraad Schalm, løse mysteriet. Med sit mikroskop, Allan håber at kunne undersøge andre materialer meget snart. "Det er som et nyt objektiv, en ny slags teleskop. Endelig, vi kan se på en nøgleegenskab ved superledning, som tidligere ikke kunne ses."