Optrævling af striberækkefølge-mysteriet

Et af de største mysterier i det kondenserede stofs fysik er det nøjagtige forhold mellem ladningsrækkefølge og superledning i cuprat-superledere. I superledere, elektroner bevæger sig frit gennem materialet - der er nul modstand, når det afkøles til under dets kritiske temperatur. Imidlertid, cupraterne udviser samtidigt superledningsevne og ladningsrækkefølge i mønstre af vekslende striber. Dette er paradoksalt, idet ladningsrækkefølgen beskriver områder med indesluttede elektroner. Hvordan kan superledning og ladningsrækkefølge sameksistere?

Nu forskere ved University of Illinois i Urbana-Champaign, samarbejder med forskere ved SLAC National Accelerator Laboratory, har kastet nyt lys over, hvordan disse uensartede tilstande kan eksistere ved siden af ​​hinanden. Illinois Physics post-doc forsker Matteo Mitrano, Professor Peter Abbamonte, og deres team anvendte en ny røntgenspredningsteknik, tidsopløst resonansblød røntgenspredning, drage fordel af det avancerede udstyr hos SLAC. Denne metode gjorde det muligt for forskerne at undersøge den stribede ladningsrækkefølgefase med en hidtil uset energiopløsning. Det er første gang, det er blevet gjort i en energiskala, der er relevant for superledning.

Forskerne målte udsvingene i ladningsrækkefølgen i en prototypisk kobberoxid-superleder, La _2-x Ba _x CuO ₄ (LBCO) og fandt ud af, at fluktuationerne havde en energi, der matchede materialets superledende kritiske temperatur, antyder den superledning i dette materiale - og ved ekstrapolering, i cuprates - kan være medieret af udsving i ladningsrækkefølgen.

Forskerne påviste endvidere, at hvis ladeordren smelter, elektronerne i systemet vil reformere de stribede områder med ladningsrækkefølge inden for titusinder af picosekunder. Det viser sig, denne proces overholder en universel skaleringslov. For at forstå, hvad de så i deres eksperiment, Mitrano og Abbamonte henvendte sig til Illinois fysikprofessor Nigel Goldenfeld og hans kandidatstuderende Minhui Zhu, som var i stand til at anvende teoretiske metoder lånt fra blødt kondenseret stofs fysik til at beskrive dannelsen af ​​de stribede mønstre.

Disse resultater blev offentliggjort den 16. august, 2019, i online-journalen Videnskabens fremskridt .

Cuprates har striber

Betydningen af ​​dette mysterium kan forstås inden for rammerne af forskning i højtemperatur-superledere (HTS), specifikt cupraterne - lagdelte materialer, der indeholder kobberkomplekser. cuprates, nogle af de første opdagede HTS, har væsentligt højere kritiske temperaturer end "almindelige" superledere (f.eks. aluminium og bly superledere har en kritisk temperatur under 10 K). I 1980'erne, LBCO, en cuprate, viste sig at have en superledende kritisk temperatur på 35 K (-396 °F), en opdagelse, som Bednorz og Müller vandt Nobelprisen for.

Denne opdagelse udløste en strøm af forskning i cuprates. I tide, videnskabsmænd fandt eksperimentelle beviser for inhomogeniteter i LBCO og lignende materialer:isolerende og metalliske faser, der var sameksisterende. I 1998, Illinois fysik professor Eduardo Fradkin, Stanford professor Steven Kivelson, og andre foreslog, at Mott-isolatorer - materialer, der burde lede under konventionel båndteori, men som isolerer på grund af frastødning mellem elektroner - er i stand til at være vært for striber af ladningsorden og superledning. La ₂ CuO ₄ , moderforbindelsen til LBCO, er et eksempel på en Mott isolator. Da Ba tilsættes til denne forbindelse, erstatte nogle La-atomer, striber dannes på grund af den spontane organisering af huller - ledige elektroner, der fungerer som positive ladninger.

Stadig, andre spørgsmål vedrørende stribernes opførsel forblev. Er afgiftsområderne immobile? Svinger de?

"Den konventionelle overbevisning er, at hvis du tilføjer disse dopede huller, de tilføjer en statisk fase, som er dårlig for superledningsevnen - du fryser hullerne, og materialet kan ikke bære elektricitet, " kommenterer Mitrano. "Hvis de er dynamiske - hvis de svinger - så er der måder, hvorpå hullerne kan hjælpe med superledning ved høje temperaturer."

Undersøgelse af udsvingene i LBCO

For at forstå, hvad striberne præcis gør, Mitrano og Abbamonte udtænkte et eksperiment for at smelte ladningsrækkefølgen og observere processen med dens reformation i LBCO. Mitrano og Abbamonte gentænkte en måleteknik kaldet resonant uelastisk røntgenspredning, tilføjelse af en tidsafhængig protokol for at observere, hvordan debiteringsordren genoprettes over en varighed på 40 picosekunder. Holdet skød en laser på LBCO-prøven, at overføre ekstra energi til elektronerne for at smelte ladningsrækkefølgen og indføre elektronisk homogenitet.

"Vi brugte en ny type spektrometer udviklet til ultrahurtige kilder, fordi vi laver eksperimenter, hvor vores laserimpulser er ekstremt korte, " Mitrano forklarer. "Vi udførte vores målinger ved Linac Coherent Light Source hos SLAC, et flagskib inden for dette efterforskningsfelt. Vores målinger er to størrelsesordener mere følsomme i energi end hvad der kan gøres på nogen anden konventionel spredningsfacilitet."

Abbamonte tilføjer, "Det, der er innovativt her, er at bruge tidsdomænespredning til at studere kollektive excitationer på sub-meV energiskalaen. Denne teknik blev tidligere demonstreret for fononer. Her, vi har vist, at den samme tilgang kan anvendes på excitationer i valensbåndet."

Tips til en mekanisme for superledning

Det første væsentlige resultat af dette eksperiment er, at ladningsrækkefølgen faktisk svinger, bevæger sig med en energi, der næsten svarer til den energi, der er etableret af den kritiske temperatur på LBCO. Dette tyder på, at Josephson-kobling kan være afgørende for superledning.

Ideen bag Josephson-effekten, opdaget af Brian Josephson i 1962, er, at to superledere kan forbindes via et svagt led, typisk en isolator eller et normalt metal. I denne type system, superledende elektroner kan lække fra de to superledere ind i det svage led, genererer en strøm af superledende elektroner i den.

Josephson-kobling giver en mulig forklaring på koblingen mellem superledning og stribede områder af ladningsorden, hvori striberne svinger sådan, at superledning lækker ind i områderne med ladningsrækkefølge, de svage led.

Adlyde universelle skaleringslove for mønsterdannelse

Efter at have smeltet ladeordren, Mitrano og Abbamonte målte genvindingen af ​​striberne, efterhånden som de udviklede sig med tiden. Da sigtelseskendelsen nærmede sig sin fulde genopretning, det fulgte en uventet tidsafhængighed. Dette resultat var intet som det, forskerne havde mødt tidligere. Hvad kunne forklare dette?

Svaret er lånt fra det bløde kondenserede stofs fysik, og mere specifikt ud fra en skaleringsteori, Goldenfeld havde udviklet to årtier forud for at beskrive mønsterdannelse i væsker og polymerer. Goldenfeld og Zhu demonstrerede, at striberne i LBCO genoprettes ifølge en universel, dynamisk, selvlignende skaleringslov.

Goldenfeld forklarer, "I midten af ​​1990'erne, videnskabsmænd havde en forståelse af, hvordan ensartede systemer nærmer sig ligevægt, men hvad med stribesystemer? Jeg arbejdede med dette spørgsmål for omkring 20 år siden, ser på de mønstre, der opstår, når en væske opvarmes nedefra, såsom de sekskantede pletter af cirkulation, opvældende hvide pletter i varm miso-suppe. Under nogle omstændigheder danner disse systemer striber af cirkulerende væske, ikke pletter, analogt med stribemønstrene af elektroner i cuprat-superlederne. Og når mønsteret dannes, den følger en universel skaleringslov. Det er præcis, hvad vi ser i LBCO, når det reformerer sin belastningsrækkefølge."

Gennem deres beregninger, Goldenfeld og Zhu var i stand til at belyse processen med tidsafhængig mønsterreformation i Mitrano og Abbamontes eksperiment. Striberne reformeres med en logaritmisk tidsafhængighed - en meget langsom proces. Overholdelse af skaleringsloven i LBCO indebærer yderligere, at den indeholder topologiske defekter, eller uregelmæssigheder i dens gitterstruktur. Dette er det andet væsentlige resultat fra dette eksperiment.

Zhu kommenterer, "Det var spændende at være en del af denne kollaborative forskning, arbejder med faststof-fysikere, men at anvende teknikker fra blødt kondenseret stof til at analysere et problem i et stærkt korreleret system, som superledning ved høj temperatur. Jeg har ikke kun bidraget med mine beregninger, men også hentet ny viden fra mine kolleger med forskellig baggrund, og på denne måde fået nye perspektiver på fysiske problemer, såvel som nye måder at tænke videnskabeligt på."

I fremtidig forskning, Mitrano, Abbamonte, og Goldenfeld planlægger yderligere at undersøge fysikken i ladningsrækkefølgens udsving med det mål at fuldstændigt smelte ladningsrækkefølgen i LBCO for at observere stribedannelsens fysik. De planlægger også lignende eksperimenter med andre cuprates, herunder yttrium barium kobberoxidforbindelser, bedre kendt som YBCO.

Goldenfeld ser dette og fremtidige eksperimenter som dem, der kunne katalysere ny forskning i HTS:"Hvad vi lærte i de 20 år siden Eduardo Fradkin og Steven Kivelsons arbejde med den periodiske modulering af ladning er, at vi bør tænke på HTS som elektroniske flydende krystaller, " siger han. "Vi begynder nu at anvende flydende krystallers bløde kondenserede stofs fysik på HTS for at forstå, hvorfor den superledende fase eksisterer i disse materialer."