Forskere ser energigabsmoduleringer i en cuprate superleder

I årevis har fysikere forsøgt at tyde de elektroniske detaljer i højtemperatursuperledere. Disse materialer kan revolutionere energitransmission og elektronik på grund af deres evne til at føre elektrisk strøm uden energitab, når de afkøles under en bestemt temperatur. Detaljer om "høj-Tc" superlederes mikroskopiske elektroniske struktur kunne afsløre, hvordan forskellige faser (stoftilstande) konkurrerer eller interagerer med superledning - en tilstand, hvor ens ladede elektroner på en eller anden måde overvinder deres frastødning for at parre sig og flyde frit. Det ultimative mål er at forstå, hvordan man får disse materialer til at fungere som superledere uden behov for superkøling.

Nu har forskere, der studerer høj-Tc-superledere ved det amerikanske energiministeriums Brookhaven National Laboratory, endelige beviser for eksistensen af ​​en tilstand af stof kendt som en pardensitetsbølge - først forudsagt af teoretikere for omkring 50 år siden. Deres resultater, offentliggjort i tidsskriftet Natur , viser, at denne fase sameksisterer med superledning i en velkendt bismuth-baseret kobberoxid-superleder.

"Dette er det første direkte spektroskopiske bevis på, at pardensitetsbølgen eksisterer ved nul magnetfelt, " sagde Kazuhiro Fujita, fysikeren, der ledede forskningen ved Brookhaven Lab. "Vi har identificeret, at pardensitetsbølgen spiller en vigtig rolle i dette materiale. Vores resultater viser, at disse to tilstande af stof - pardensitetsbølge og superledning - eksisterer og interagerer sammen."

Holdets resultater kommer fra målinger af enkelte elektroners tunnelspektre ved hjælp af et avanceret spektroskopisk billeddannende scanningstunnelingmikroskop (SI-STM) i Brookhavens OASIS-laboratorium.

"Det, vi måler, er, hvor mange elektroner på et givet sted 'tunnel' fra prøveoverfladen til den superledende elektrodespids af SI-STM og omvendt, når vi varierer energien (spændingen) mellem prøven og spidsen, " sagde Fujita. "Med disse målinger kan vi kortlægge det krystallinske gitter og elektrontætheden af ​​tilstande - såvel som antallet af elektroner, vi har på et givet sted."

Når materialet ikke er superledende, elektroner eksisterer over et kontinuerligt spektrum af energier, hver formerer sig ved sin egen unikke bølgelængde. Men når temperaturen falder, elektronerne begynder at interagere - parrer sig, når materialet går ind i den superledende tilstand. Når dette sker, forskere observerer et hul i energispektret, skabt af fravær af elektroner inden for det bestemte energiområde.

"Spaltets energi er lig med den energi, det tager at bryde elektronparrene fra hinanden (hvilket fortæller dig, hvor tæt bundet de var), " sagde Fujita.

Da forskerne scannede over overfladen af ​​materialet, de opdagede rumligt modulerende energigab-strukturer. Disse moduleringer i energigabet viste, at styrken af ​​elektronernes binding varierer - stigende til et maksimum, derefter dyppes til et minimum - med dette mønster, der gentager hvert ottende atom hen over overfladen af ​​det regelmæssigt opstillede krystalgitter.

Dette arbejde byggede på tidligere målinger, der viste, at strømmen skabt af elektronpar, der tunnelerede ind i mikroskopet, også varierede på samme periodiske måde. Disse aktuelle moduleringer var det første bevis, selvom det er noget omstændigt, at pardensitetsbølgen var til stede.

"Modulationer i strømmen af ​​de parrede elektroner er en indikator på, at der er moduleringer i, hvor stærkt parrede elektronerne er på tværs af overfladen. Men denne gang, ved at måle energispektret for individuelle elektroner, det lykkedes os direkte at måle det modulerende hul i spektrene, hvor parring forekommer. Modulationerne i størrelsen af ​​disse huller er direkte spektroskopisk bevis på, at partæthedsbølgetilstanden eksisterer, " sagde Fujita.

De nye resultater inkluderede også tegn på andre nøglesignaturer af pardensitetsbølgen-herunder defekter kaldet "halvhvirvler"-samt dens interaktioner med den superledende fase.

Ud over, energigab-modulationerne afspejler anden Brookhaven Lab-forskning, der indikerer eksistensen af ​​modulerende mønstre af elektroniske og magnetiske karakteristika - nogle gange omtalt som "striber" - som også forekommer med en celleperiodicitet på otte enheder i visse høj-Tc cuprat superledere.

"Tilsammen indikerer disse fund, at pardensitetsbølgen spiller en væsentlig rolle i disse materialers superledende egenskaber. Forståelse af denne tilstand kan hjælpe os med at forstå det komplekse fasediagram, der kortlægger, hvordan superledende egenskaber opstår under forskellige forhold, inklusive temperatur, magnetfelt, og ladningsbærertæthed, " sagde Fujita.