En superleder, der husker sit elektroniske ladearrangement

Inden for superledelse-et materiales evne til at lede elektricitet med stort set nul modstand-er de såkaldte højtemperatur superledere (HTSC'er) mulige kandidater til en ny generation af avancerede teknologier. En delmængde af disse, "cupraterne, "som er krystallinske materialer baseret på planer af kobberoxid, er særligt lovende. Men forskere har stadig brug for at lære meget mere om disse materialer før mainstream, rumtemperatur applikationer er mulige. I øjeblikket, selv "høj temperatur" superledere skal køles ned til meget, meget kolde temperaturer efter hverdagens standarder.

Arbejder ved US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory, forskere fra Brookhaven og University College London opdagede for nylig noget nyt og meget overraskende om en type periodisk elektrisk ladningsarrangement, som sameksisterer med superledning i cuprates, kendt som en ladningstæthedsbølge (CDW). De fandt ud af, at den specifikke CDW -ordre i deres prøve blev "husket", når prøven gentagne gange blev opvarmet forbi temperaturen, hvor CDW forsvinder. Denne opdagelse åbner en ny metode til forskning i, hvordan disse spændende materialer fungerer, bringe forskere et skridt tættere på et fuldstændigt billede af elektronisk adfærd hos cuprates.

"Det ville være som at smelte en bunke isterninger og derefter genfryse dem - og opdage, at de genfryser til en identisk bunke med terninger, selv nede på det mikroskopiske niveau, "forklarede Brookhaven Lab -fysikeren Claudio Mazzoli, en af ​​forskerne involveret i undersøgelsen. "Ingen ville forvente at se det."

Mazzoli og hans medforskere beskriver deres arbejde i 29. marts, 2019 online udgave af Nature Communications.

Kuperaternes elektroniske adfærd, som med alle HTSC'er, er ret kompleks. Som navnet antyder, elektronerne, der udgør en CDW, danner et periodisk stående bølgemønster. CDW'er er blevet observeret i næsten alle cuprater, men deres rolle i superledelse er stadig ikke fuldt ud forstået. Konkurrerer de med superledning? Deltager de i det? Hindrer de superledelse på visse måder og tilføjer muligvis det på andre? Forskere arbejder stadig på dette.

"I HTSC'erne, ethvert arrangement af elektroner er af interesse for forskere, "sagde Brookhaven -fysikeren Mark Dean, en anden af ​​papirets forfattere. "Målet er at undersøge disse arrangementer og justere dem - eller måske fjerne dem - så materialets superledende overgangstemperatur kan nærme sig, eller måske overgå, stuetemperatur. At gøre dette, vi skal lære så meget som muligt om elektronernes adfærd og deres strukturer i HTSC'er. "

En ting, forskere godt ved, er, at kopere, der indeholder de samme kobberoxidplaner - men arrangeret på en lidt anden måde - kan have CDW'er med dramatisk forskellige egenskaber. Det ser ud til, derefter, at den del af krystalgitteret, der er vært for CDW, har en effekt på CDW.

Her, gruppen satte sig for at lære mere om forholdet mellem materialets gitterstruktur og CDW -adfærd. Deres modelsystem var en kopi kendt som LBCO for de forbindelser, den indeholder:lanthan, barium, kobber, og ilt. LBCO har en overgangstemperatur - temperaturen under hvilken den viser CDW, og over hvilket det ikke gør -på 54 grader Kelvin (K) (selvom det svarer til omkring -360 grader Fahrenheit, denne temperatur er stadig relativt høj i superlederverdenen).

Gruppen ønskede at finde ud af, hvordan ufuldkommenheder i LBCO krystalgitteret kan stabilisere CDW. De var interesserede i en velkendt gitterforvrængning, der opstår i materialet:en hældning i den oktaedriske form dannet af bundne kobber- og iltatomer. Denne hældning har en tendens til at forankre CDW'en til gitteret, så det orienteres i en bestemt retning; det ser ud til, at CDW kan være følsom over for de rumlige inhomogeniteter, eller domæner, af gitteret. Dette forhold mellem CDW og domæner, som foreslået af temperaturadfærden, der er afdækket i denne undersøgelse, kan være unik for LBCO. Det vil være meget vigtigt at forstå, om dette er et generelt træk ved cuprates.

Gruppen cyklede deres LBCO -prøve gennem en række temperaturer, gentagne gange opvarmning og afkøling, mens jeg undersøgte det med røntgenstråler ved Brookhaven's National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), en DOE Office of Science brugerfacilitet. Ved den sammenhængende Soft X-Ray Scattering (CSX) beamline, de brugte en teknik kendt som koherent resonant røntgendiffraktion, hvor røntgenstråler spredes fra forskellige domæner i CDW's rumlige arrangement, forstyrre hinanden, og danne et "speckle" mønster, der fanges af et specielt kamera. Analyse af dette mønster giver information om CDW's funktioner.

Denne opgave - direkte observation af en CDW, mens dens ændringer spores, over en række temperaturer - er tilsammen meget udfordrende, i høj grad på grund af de meget korte afstande, der kendetegner funktionerne i en CDW. NSLS-II er unikt egnet til denne type undersøgelser på grund af den sammenhængende karakter af det lys, det producerer, hvilket betyder, at lysbølgerne rejser i fællesskab frem for ude af synkronisering og blandet. Ældre lyskilder har ikke så meget sammenhængende stråler.

Spikkelanalysen afslørede, at den specifikke CDW -rækkefølge under 54 K vendte tilbage, selvom prøven gentagne gange blev cyklet gennem meget højere temperaturer, op til ca. 240 K (ca. -28 ° F). Forskerne mener, at de strukturelle ændringer, der finder sted i krystallen under 240 K, skaber et "fastgørelseslandskab", der forankrer CDW til gitteret.

"Vores arbejde åbner en ny rute for at studere det komplekse samspil mellem ladning og gittergrader af frihed i superledende cuprater, "sagde avisens hovedforfatter, Xiaoqian Chen, en forsker i Brookhavens afdeling for kondenseret fysik og materialevidenskab på det tidspunkt, hvor denne undersøgelse blev udført (hun arbejder nu på Lawrence Berkeley National Laboratory). "Det er også en god demonstration af, hvordan NSLS-II kan bruges til at studere kvantefaser af materialer og deres spektakulære, uventede egenskaber. "

"Dette resultat understreger den afgørende betydning af nanoskala-domæneres rolle i superledende superledningsevne. Uden de domæne-fastgørelseseffekter, der er blevet observeret, CDW kan bære strøm og yderligere forstyrre superledningen, "tilføjede medforfatter Ian Robinson, en fysiker ved Brookhaven samt ved University College London. "Imaging disse subtile 'fase' domænestrukturer er stadig i sin vorden, og dette arbejde fremhæver behovet for at udvikle bedre billeddannelsesteknikker, så strukturelle detaljer kan ses direkte."