At få høj-temperatur superledning til at forsvinde for at forstå dens oprindelse

Når der er flere processer i gang på én gang, Det er svært at etablere årsag-virkning-forhold. Dette scenarie gælder for en klasse af højtemperatur-superledere kendt som cuprates. Opdaget for næsten 35 år siden, disse kobber-iltforbindelser kan lede elektricitet uden modstand under visse forhold. De skal modificeres kemisk ("doteres") med yderligere atomer, der indfører elektroner eller huller (elektron-vacatures) i kobberoxidlagene og afkøles til temperaturer under 100 Kelvin - væsentligt varmere temperaturer end dem, der er nødvendige for konventionelle superledere. Men præcis hvordan elektroner overvinder deres gensidige frastødning og parrer sig for at flyde frit i disse materialer, er stadig et af de største spørgsmål inden for kondenseret stofs fysik. Højtemperatursuperledning (HTS) er blandt mange fænomener, der opstår på grund af stærke interaktioner mellem elektroner, gør det svært at afgøre, hvor det kommer fra.

Det er grunden til, at fysikere ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Brookhaven National Laboratory studerer et velkendt cupratholdigt lag lavet af vismutoxid, strontiumoxid, kalk, og kobberoxid (BSCCO) besluttede at fokusere på den mindre komplicerede "overdopede" side, doping af materialet så meget, at supraledelse til sidst forsvinder. Som de rapporterede i et papir offentliggjort den 29. januar i Naturkommunikation , denne tilgang gjorde dem i stand til at identificere, at rent elektroniske interaktioner sandsynligvis fører til HTS.

"Superledning i cuprates eksisterer normalt sammen med periodiske arrangementer af elektrisk ladning eller spin og mange andre fænomener, der enten kan konkurrere med eller hjælpe med superledning, komplicerer billedet, " forklarede første forfatter Tonica Valla, en fysiker i Electron Spectroscopy Group i Brookhaven Labs Condensed Matter Physics and Materials Science Division. "Men disse fænomener svækkes eller helt forsvinder med overdoping, efterlader intet andet end superledning. Dermed, dette er den perfekte region til at studere oprindelsen til superledning. Vores eksperimenter har afdækket en interaktion mellem elektroner i BSCCO, der korrelerer en til en med superledning. Superledelse fremkommer præcis, når denne interaktion først dukker op og bliver stærkere, når interaktionen styrkes. "

Først for ganske nylig er det blevet muligt at overdope cupratprøver ud over det punkt, hvor superledningsevnen forsvinder. Tidligere har en bulk krystal af materialet ville blive udglødet (opvarmet) i højtryks-iltgas for at øge koncentrationen af ​​oxygen (doteringsmaterialet). Den nye metode - som Valla og andre Brookhaven-forskere først demonstrerede for omkring et år siden på OASIS, et nyt instrument på stedet til prøveforberedelse og karakterisering-bruger ozon i stedet for ilt til at annealere spaltede prøver. Spaltning refererer til at bryde krystallen i vakuum for at skabe perfekt flade og rene overflader.

"Ozonens oxidationsevne, eller dets evne til at acceptere elektroner, er meget stærkere end molekylær oxygen, " forklarede medforfatter Ilya Drozdov, en fysiker i divisionens Oxide Molecular Beam Epitaxy (OMBE) gruppe. "Det betyder, at vi kan bringe mere ilt ind i krystallen for at skabe flere huller i kobberoxidplanerne, hvor superledning forekommer. Hos OASIS, vi kan overdope overfladelag af materialet hele vejen til det ikke-superledende område og studere de resulterende elektroniske excitationer."

OASIS kombinerer et OMBE-system til dyrkning af tynde oxidfilm med vinkelopløst fotoemissionsspektroskopi (ARPES) og spektroskopisk billeddannelse-scanning tunneling mikroskopi (SI-STM) instrumenter til at studere den elektroniske struktur af disse film. Her, materialer kan dyrkes og studeres ved hjælp af det samme tilsluttede ultrahøjvakuumsystem for at undgå oxidation og forurening med kuldioxid, vand, og andre molekyler i atmosfæren. Fordi ARPES og SI-STM er ekstremt overfladefølsomme teknikker, uberørte overflader er afgørende for at opnå nøjagtige målinger.

Til denne undersøgelse, medforfatter Genda Gu, en fysiker i divisionens neutronspredningsgruppe, voksede bulk BSCCO krystaller. Drozdov glødede de spaltede krystaller i ozon i OMBE -kammeret ved OASIS for at øge dopingen, indtil superledningsevne var helt tabt. Den samme prøve blev derefter udglødet i vakuum for gradvist at reducere dopingen og øge overgangstemperaturen, ved hvilken superledelse fremkommer. Valla analyserede den elektroniske struktur af BSCCO på tværs af dette doping-temperatur fasediagram gennem ARPES.

"ARPES giver dig det mest direkte billede af den elektroniske struktur af ethvert materiale, " sagde Valla. "Lys exciterer elektroner fra en prøve, og ved at måle deres energi og den vinkel, hvor de undslipper, du kan genskabe elektronernes energi og momentum, mens de stadig var i krystallen."

Ved måling af dette forhold mellem energi og momentum, Valla opdagede en knæk (anomali) i den elektroniske struktur, der følger den superledende overgangstemperatur. Knækket bliver mere udtalt og skifter til højere energier, efterhånden som denne temperatur stiger, og superledningsevnen bliver stærkere, men forsvinder uden for den superledende tilstand. På baggrund af disse oplysninger, han vidste, at den interaktion, der skaber de elektronpar, der kræves til superledning, ikke kunne være elektron-fonon-kobling, som teoretiseret for konventionelle superledere. Under denne teori, fononer, eller vibrationer af atomer i krystalgitteret, tjene som en tiltrækkende kraft for ellers frastødende elektroner gennem udveksling af momentum og energi.

"Vores resultat gjorde det muligt for os at udelukke elektron-fonon-kobling, fordi atomer i gitteret kan vibrere, og elektroner kan interagere med disse vibrationer, uanset om materialet er superledende eller ej, " sagde Valla. "Hvis fononer var involveret, vi ville forvente at se knæk i både superledende og normal tilstand, og kinken ville ikke ændre sig med doping."

Holdet mener, at noget lignende elektron-fonon-kobling foregår i dette tilfælde, men i stedet for fononer, en anden excitation bliver udvekslet mellem elektroner. Det ser ud til, at elektroner interagerer gennem spin-fluktuationer, som er relateret til elektronerne selv. Spinsvingninger er ændringer i elektron -spin, eller måden hvorpå elektroner peger enten op eller ned som små magneter.

I øvrigt, forskerne fandt ud af, at knækets energi er mindre end for en karakteristisk energi, hvor en skarp top (resonans) i spin -fluktuationsspektret vises. Deres fund tyder på, at starten af ​​spin-fluktuationer (i stedet for resonanstoppen) er ansvarlig for den observerede knæk og kan være den "lim", der binder elektroner ind i de par, der kræves til HTS.

Næste, holdet planlægger at indsamle yderligere beviser, der viser, at spin-fluktuationer er relateret til superledning ved at opnå SI-STM-målinger. De vil også udføre lignende eksperimenter på en anden velkendt cuprat, lanthan strontium kobberoxid (LSCO).

"For første gang, vi ser noget, der er stærkt korreleret med superledning, " sagde Valla. "Efter alle disse år, vi har nu en bedre forståelse af, hvad der kan forårsage superledning i ikke kun BSCCO, men også andre cuprates."