Elektronparring fundet langt over superledernes kritiske temperatur

Fysikere har fundet "elektronparring, "et kendetegn ved superledning, ved temperaturer og energier langt over den kritiske tærskel, hvor superledning sker.

Rice Universitys Doug Natelson, co-tilsvarende forfatter til et papir om arbejdet i denne uges Natur , sagde opdagelsen af ​​Cooper -par elektroner "lidt over den kritiske temperatur vil ikke være 'vanvittig overraskende' for nogle mennesker. Det, der er mere mærkeligt, er, at det ser ud til, at der er to forskellige energivægte. Der er en højere energiskala, hvor parret danner, og der er en lavere energiskala, hvor de alle beslutter at gå sammen og handle kollektivt og sammenhængende, den adfærd, der faktisk medfører superledelse. "

Elektrisk modstand er så almindelig i den moderne verden, at de fleste af os tager det for givet, at computere, smartphones og elektriske apparater varmer op under brug. Denne opvarmning sker, fordi elektricitet ikke flyder frit gennem metaltråde og siliciumchips inde i enhederne. I stedet, flydende elektroner støder lejlighedsvis ind i atomer eller hinanden, og hver kollision producerer en lille smule varme.

Fysikere har siden 1911 vidst, at elektricitet kan flyde uden modstand i materialer kaldet superledere. Og i 1957, de fandt ud af hvorfor:Under særlige forhold, herunder typisk meget kolde temperaturer, elektroner går sammen i par - noget der normalt er forbudt på grund af deres gensidige frastødning - og som par, de kan flyde frit.

"For at få superledning, den generelle følelse er, at du har brug for par, og du skal opnå en form for sammenhæng mellem dem, sagde Natelson, der samarbejdede om forskningen med eksperter fra Rice, Brookhaven National Laboratory og University of Connecticut. "Spørgsmålet, i lang tid, var, 'Hvornår får du par?' Fordi i konventionelle superledere, så snart du dannede par, sammenhæng og superledning ville følge. "

Elektronpar er opkaldt efter Leon Cooper, fysikeren, der først beskrev dem. Ud over at forklare klassisk superledning, fysikere mener, at Cooper-par frembringer supraledning ved høj temperatur, en utraditionel variant opdaget i 1980'erne. Det blev kaldt "høj temperatur", fordi det forekommer ved temperaturer, der, selvom det stadig er meget koldt, er betydeligt højere for klassiske superledere. Fysikere har længe drømt om at lave høj temperatur superledere, der arbejder ved stuetemperatur, en udvikling, der radikalt ville ændre måden, hvorpå energi dannes, flyttet og brugt verden over.

Men mens fysikere har en klar forståelse af, hvordan og hvorfor elektronparring sker i klassiske superledere, det samme kan ikke siges om høj temperatur superledere som lanthanum strontium kobberoxid (LSCO), der er omtalt i den nye undersøgelse.

Hver superleder har en kritisk temperatur, ved hvilken elektrisk modstand forsvinder. Natelson sagde, at teorier og undersøgelser af kobberoxid-superledere i løbet af de sidste 20 år har antydet, at Cooper-par dannes over denne kritiske temperatur og først bliver sammenhængende mobile, når materialet afkøles til den kritiske temperatur.

"Hvis det er sandt, og du har allerede par ved højere temperaturer, spørgsmålet er, 'Kan du også få sammenhæng ved disse temperaturer?' "Sagde Natelson." Kan du på en eller anden måde overbevise dem om at starte deres dans i regionen kendt som pseudogap, et faserum ved højere temperaturer og energiskalaer end den superledende fase. "

I Natur undersøgelse, Natelson og kolleger fandt tegn på denne højere energiparring i ledningsstøj i ultrarene LCSO -prøver dyrket i laboratoriet af Brookhaven's Ivan Božović, co-tilsvarende forfatter til undersøgelsen.

"Han dyrker det bedste materiale i verden, og vores målinger og konklusioner var kun mulige på grund af renheden af ​​disse prøver, "Sagde Natelson." Han og hans team lavede enheder, der kaldes tunnelkryds, og i stedet for bare at se på den elektriske strøm, vi kiggede på udsving i den nuværende kaldet skudstøj.

"I de fleste tilfælde, hvis du måler strøm, du måler et gennemsnit og ignorerer det faktum, at strøm kommer i stykker gratis, "Sagde Natelson." Det er noget lignende forskellen mellem at måle den gennemsnitlige daglige nedbør i dit hjem i modsætning til at måle antallet af regndråber, der falder til enhver tid. "

Ved at måle variationen i den diskrete mængde elektrisk ladning, der strømmer gennem LCSO -kryds, Natelson og kolleger fandt ud af, at passage af enkeltelektroner ikke kunne tage højde for mængden af ​​ladning, der strømmer gennem krydsene ved temperaturer og spændinger langt over den kritiske temperatur, hvor superledning forekom.

"Noget af afgiften skal komme i større bidder, hvilke er parrene, "sagde han." Det er usædvanligt, fordi i en konventionel superleder, når du går over den karakteristiske energiskala forbundet med superledning, parrene bliver revet fra hinanden, og du ser kun enkelte afgifter.

"Det ser ud til, at LCSO indeholder en anden energiskala, hvor parrene dannes, men endnu ikke virker kollektivt, "Sagde Natelson." Folk har tidligere tilbudt teorier om den slags, men dette er det første direkte bevis for det. "

Natelson sagde, at det er for tidligt at sige, om fysikere kan gøre brug af den nye viden til at lokke par til at flyde frit ved højere temperaturer i ukonventionelle superledere. Men Božović sagde, at opdagelsen har "dybe konsekvenser" for teoretiske fysikere, der studerer højtemperatur-superledere og andre former for kondenseret stof.

"På en eller anden måde, lærebogskapitlerne skal omskrives, "Sagde Božović." Fra denne undersøgelse, det ser ud til, at vi har en ny type metal, hvor en betydelig brøkdel af den elektriske strøm bæres af elektronpar. På den eksperimentelle side, Jeg forventer, at dette fund vil udløse meget opfølgende arbejde-f.eks. ved hjælp af den samme teknik til at teste andre cuprates eller superledere, isolatorer og lagtykkelser. "