Forskere opdager overraskende kvanteeffekt i en eksotisk superleder

Et internationalt team ledet af forskere ved Princeton University har direkte observeret en overraskende kvanteeffekt i en jernholdig superleder med høj temperatur.

Superledere leder elektricitet uden modstand, gør dem værdifulde til langdistancestrømtransmission og mange andre energibesparende applikationer. Konventionelle superledere fungerer kun ved ekstremt lave temperaturer, men visse jernbaserede materialer, der blev opdaget for cirka et årti siden, kan superleder ved relativt høje temperaturer og har tiltrukket forskernes opmærksomhed.

Præcis hvordan supraledelse dannes i jernbaserede materialer er noget af et mysterium, især da jernets magnetisme synes at være i konflikt med fremkomsten af ​​superledelse. En dybere forståelse af ukonventionelle materialer såsom jernbaserede superledere kan i sidste ende føre til nye applikationer til næste generations energibesparende teknologier.

Forskerne undersøgte adfærden hos jernbaserede superledere, når urenheder-nemlig koboltatomer-tilføjes for at undersøge, hvordan superledning formes og forsvinder. Deres fund førte til ny indsigt i en 60-årig teori om, hvordan superledelse opfører sig. Undersøgelsen blev offentliggjort i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve denne uge.

Tilføjelse af urenheder er en nyttig måde at lære om adfærd hos superledere, sagde M. Zahid Hasan, Eugene Higgins professor i fysik ved Princeton University, der ledede forskergruppen. "Det er ligesom den måde, vi undersøger vandets bølgeopførsel i søen ved at kaste en sten, "sagde han." Den måde, de superledende egenskaber reagerer på urenheden, afslører deres hemmeligheder med detaljer på kvantenniveau. "

En mangeårig idé kendt som Andersons sætning forudsiger, at selvom tilføjelse af urenheder kan indføre uorden i en superleder, i mange tilfælde, det vil ikke ødelægge superledningen. Sætningen blev fremsat i 1959 af den nobelprisvindende fysiker Philip Anderson, Princetons Joseph Henry professor i fysik, Emeritus. Men der er altid undtagelser fra reglen.

Kobolt ser ud til at være en af ​​disse undtagelser. I modsætning til teorien, tilføjelsen af ​​kobolt tvinger den jernbaserede superleder til at miste sin superledende evne og blive som et almindeligt metal, hvor elektricitet flyder med modstand og spilder sin energi som varme.

Indtil nu, det har været uklart, hvordan dette sker.

For at udforske dette fænomen, Princeton -forskergruppen brugte en teknik kendt som scanning af tunnelmikroskopi, som er i stand til at afbilde individuelle atomer, at studere en jernbaseret superleder fremstillet af lithium, jern og arsen.

De introducerede ikke-magnetiske urenheder i form af koboltatomer i superlederen for at se, hvordan den opførte sig.

Forskerne målte et stort antal prøver ved ekstremt lave temperaturer, omkring minus 460 grader Fahrenheit (400 grader milliKelvin), som er koldere end det ydre rum med næsten ti grader Fahrenheit. Under disse betingelser, forskerne lokaliserede og identificerede hvert koboltatom i krystalgitteret, og målte derefter direkte den effekt, det havde på superledningen ved både atomisk lokal skala og prøvens globale superledende egenskaber.

At gøre dette, forskerne studerede over 30 krystaller på tværs af otte forskellige koncentrationer ved disse ekstremt lave temperaturer med atomniveauopløsning. "Der er ingen garanti for, at enhver given krystal vil give os de data af høj kvalitet, vi har brug for, "sagde Songtian Sonia Zhang, en kandidatstuderende og medforstifter af undersøgelsen.

Som et resultat af dette omfattende forsøg, teamet opdagede, at hvert koboltatom har en begrænset lokal påvirkning, der forsvinder et eller to atom i afstand væk fra urenheden. Imidlertid, der er en stærk, systematisk udvikling gennem en faseovergang til en normal, ikke-superledende tilstand, når koboltkoncentrationen stiger. Superledningen bliver til sidst fuldstændig ødelagt ved at indføre flere koboltatomer.

Superledningsevne skyldes parring af to elektroner til dannelse af en enkelt kvantetilstand beskrevet af en egenskab kendt som en bølgefunktion. Denne sammenkobling gør det muligt for elektronerne at zip gennem et materiale uden den typiske modstand, der sker i dagligdagens metaller. Den mindste energi, der kræves for at sprede elektronerne og bryde parrene, kaldes det "superledende energigab".

Når koboltatomer tilsættes, spredningsstyrken kan beskrives på to måder:den stærke (eller enheds) grænse og den svage (eller fødte) grænse. Spredning ved Born -grænsen, opkaldt efter fysikeren Max Born, har det svageste potentiale til at forstyrre elektronbølgefunktionerne, der er afgørende for elektron-elektron-interaktion og dermed elektronparring.

Ved at udskifte jernatomer, koboltatomer opfører sig som Born-limit scatterers. Selvom Born-limit-spredere har et relativt svagt potentiale til at forstyrre superledning, når mange kombinerer, kan de ødelægge superledning.

Forskerne opdagede, at for litiumjernarsenidmaterialet, spredning ved Born -grænsen er tilsyneladende i stand til at overtræde Andersons sætning, fører til en kvantefaseovergang fra en superledende til en ikke-superledende tilstand.

Superledende materialer kan beskrives ved en funktion kendt som tunnelspektret, som giver en beskrivelse af elektroners adfærd i et materiale og fungerer som elektroners energifordelingsprofil. Litiumjernarsenidmaterialet har det, der er kendt som et "S-bølge" hul, kendetegnet ved en flad "U-formet" bund i det superledende energigab. Et helt åbent superledende hul indikerer kvaliteten af ​​de superledende materialer.

I et overraskende twist, koboltforureningerne undertrykker ikke kun superledningen, de ændrer også arten af ​​hullet, når det udvikler sig fra en U-form til en V-form. Formen af ​​det superledende hul afspejler normalt "ordreparameteren, "som beskriver superledningsevnens beskaffenhed. En sådan form er karakteristisk for ordensparametre, der kun forekommer i et unikt antal højtemperatur-superledere og antyder ekstremt ukonventionel adfærd.

Den tilsyneladende transformation gennem en ændring i ordreparameteren (f.eks. afspejlet i målingerne ved ændringen i formen af ​​det superledende hul) tilføjer kun kvantepuslespillet.

Denne udvikling er usædvanlig og fik forskerne til at uddybe deres undersøgelse. Ved at kombinere teoretiske beregninger med magnetiske målinger, de var i stand til at bekræfte koboltspredningens ikke-magnetiske karakter.

Da Andersons sætning siger, at ikke-magnetiske urenheder bør have ringe effekt på denne type superleder, forskerne indså, at der skulle udvikles en alternativ teori.

I jernbaserede superledere, forskere har spekuleret i, at der er et tegnændring for fasen med superledende ordensparameter ved forskellige "Fermi -lommer" - energitællingerne, der dannes på grund af de regler, hvormed elektroner indtager den krystallinske struktur.

"Naivt, at skelne mellem konventionel superledning og tegnskiftende superledning kræver en fasefølsom måling af superledende ordreparameter, som kan være ekstremt udfordrende, "sagde Ilya Belopolski, en postdoktor i Hasans gruppe og medforfatter af undersøgelsen. "Et smukt aspekt af vores eksperiment er, at ved at overveje krænkelser af Andersons sætning, vi kan komme uden om dette krav. "

Faktisk, teamet opdagede, at ved at indføre en sådan forandring af tegn i ordens parameter for superledningen, de var i stand til at gengive den ulige udvikling fra koboltforureningerne. Går ud over disse indledende beregninger, teamet anvendte yderligere tre state-of-the-art teoretiske metoder til at demonstrere virkningen af ​​de ikke-magnetiske koboltspredere på denne tegnskiftende superleder.

"Det faktum, at tre forskellige teoretiske modeller alle peger på den samme forklaring, viser, at dette er en robust konklusion, "sagde Jia-Xin Yin, en postdoc-forsker og en anden medforstifter af undersøgelsen. I jagten på at løse mysterierne om superledning, der udvikles komplicerede modeller, der ikke altid stemmer overens med hinanden. I dette tilfælde, Yin sagde, "de modeluafhængige resultater fastslår entydigt, at dette er en tegnskiftende eksotisk superleder, der ikke oprindeligt blev betragtet af Andersons arbejde."