For superledere, opdagelse kommer fra uorden

Opdaget for mere end 100 år siden, superledning fortsætter med at fange videnskabsmænd, der søger at udvikle komponenter til højeffektiv energitransmission, ultrahurtig elektronik eller kvantebits til næste generations beregninger. Imidlertid, at bestemme, hvad der får stoffer til at blive - eller holde op med at være - superledere, er fortsat et centralt spørgsmål i at finde nye kandidater til denne særlige klasse af materialer.

I potentielle superledere, der kan være flere måder, hvorpå elektroner kan arrangere sig selv. Nogle af disse forstærker den superledende effekt, mens andre hæmmer det. I en ny undersøgelse, forskere ved U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory har forklaret, hvordan to sådanne arrangementer konkurrerer med hinanden og i sidste ende påvirker den temperatur, hvorved et materiale bliver superledende.

I den superledende tilstand, elektroner går sammen til såkaldte Cooper-par, hvor elektronernes bevægelse er korreleret; i hvert øjeblik, hastighederne af elektronerne, der deltager i et givet par, er modsatte. Ultimativt, bevægelsen af ​​alle elektroner er koblet - ingen enkelt elektron kan gøre sin egen ting - hvilket fører til tabsfri strøm af elektricitet:superledning.

Generelt, jo stærkere parrene parrer og jo større antal elektroner, der deltager, jo højere vil den superledende overgangstemperatur være.

De materialer, der er potentielle højtemperatur-superledere, er ikke simple elementer, men er komplekse forbindelser, der indeholder mange grundstoffer. Det viser sig at, udover superledning, elektroner kan udvise forskellige egenskaber ved lave temperaturer, inklusive magnetisme eller ladningstæthed bølgeorden. I en ladningstæthedsbølge, elektroner danner et periodisk mønster af høj og lav koncentration inde i materialet. Elektroner, der er bundet i ladningstæthedsbølgen, deltager ikke i superledning, og de to fænomener konkurrerer.

"Hvis du fjerner nogle elektroner for at sætte ind i en ladningstæthedsbølge, styrken af ​​din superledende effekt vil aftage, " sagde Argonne materialeforsker Ulrich Welp, en tilsvarende forfatter til undersøgelsen.

Argonne-teamets arbejde er baseret på erkendelsen af, at ladningstæthedsbølgeorden og superledningsevnen påvirkes forskelligt af ufuldkommenheder i materialet. Ved at introducere lidelse, forskerne undertrykte en ladningstæthedsbølge, forstyrrer det periodiske ladningstæthedsbølgemønster, mens det kun har en lille effekt på superledningsevnen. Dette åbner en måde at tune balancen mellem den konkurrerende ladningstæthedsbølgerækkefølge og superledningsevne.

At introducere uorden på en sådan måde, at det forringede ladningstæthedsbølgetilstanden, men efterlod den superledende tilstand stort set intakt, forskerne brugte partikelbestråling. Ved at ramme materialet med en protonstråle, forskerne slog nogle få atomer ud, ændring af den overordnede elektroniske struktur, samtidig med at den kemiske sammensætning af materialet holdes intakt.

For at få et billede af skæbnen for ladningstæthedsbølgerne, forskere brugte state-of-the-art røntgenspredning ved Argonnes Advanced Photon Source (APS), en DOE Office of Science brugerfacilitet, og Cornell High Energy Synchrotron Source. "Røntgenspredning var afgørende for at observere finesserne i denne elektroniske orden i materialet, " sagde Argonne-fysiker og studieforfatter Zahir Islam. "Vi opdagede, at en fortyndet koncentration af forstyrrede atomer virkelig formindskede ladningstæthedsbølgen for at forbedre superledningsevnen."

Ifølge islam, mens den nuværende glans af APS muliggjorde systematiske undersøgelser af ladningstæthedsbølger fra små enkeltkrystalprøver på trods af dens relativt svage spredningsstyrke, den kommende planlagte opgradering af anlægget vil give forskerne den største følsomhed over for at observere disse fænomener. Desuden, han sagde, videnskabsmænd vil drage fordel af at studere disse materialer i ekstreme miljøer, i særdeleshed, under høje magnetfelter for at vippe balancen til fordel for ladningstæthedsbølger for at få nødvendig indsigt i højtemperatursuperledning.

I forskningen, forskerne undersøgte et materiale kaldet lanthan barium kobberoxid (LBCO). I dette materiale, den superledende temperatur faldt næsten til det absolutte nulpunkt (-273 grader Celsius), da materialet opnåede en vis kemisk sammensætning. Imidlertid, for nært beslægtede kompositioner, overgangstemperaturen forblev relativt høj. Forskerne mener, at denne effekt af nedkølende superledning skyldes tilstedeværelsen af ​​ladningstæthedsbølger, og at undertrykkelse af ladningstæthedsbølgen kan inducere endnu højere overgangstemperaturer.

Med ladningstæthedsbølger svækket af uorden, superledning høster fordelen, Wai-Kwong Kwok, Argonne Distinguished Fellow og studieforfatter, forklaret. "Fra superlederens perspektiv, min fjendes fjende er i sandhed min ven, " han sagde.

Et papir baseret på undersøgelsen, "Forstyrrelse hæver den kritiske temperatur af en cuprat superleder, " dukkede op i onlineudgaven af ​​13. maj Proceedings of the National Academy of Sciences .