Forskere identificerer ny type superleder

Indtil nu, historien om superledende materialer har været en fortælling om to typer:s-bølge og d-bølge.

Nu, Cornell -forskere - ledet af Brad Ramshaw, Dick &Dale Reis Johnson adjunkt ved College of Arts and Sciences-har opdaget en mulig tredje type:g-wave.

Deres papir, "Termodynamisk bevis for en tokomponent superledende ordreparameter i Sr ₂ RuO ₄ , "udgivet 21. september i Naturfysik . Hovedforfatteren er doktorand Sayak Ghosh, FRK. '19.

Elektroner i superledere bevæger sig sammen i såkaldte Cooper -par. Denne "parring" skænker superledere deres mest berømte ejendom - ingen elektrisk modstand - fordi, for at skabe modstand, Cooper -parene skal skilles ad, og det kræver energi.

I s-wave superledere-generelt konventionelle materialer, såsom bly, tin og kviksølv - Cooper -parene er lavet af en elektron, der peger op og en, der peger nedad, begge bevæger sig frontalt mod hinanden, uden nettovinkelmoment. I de seneste årtier har en ny klasse af eksotiske materialer har udvist det, der kaldes d-wave superledning, hvorved Cooper -parene har to kvante af vinkelmoment.

Fysikere har teoretiseret eksistensen af ​​en tredje type superleder mellem disse to såkaldte "singlet" -tilstande:en p-bølge superleder, med en kvante af vinkelmoment og elektronerne parring med parallelle snarere end antiparallelle spins. Denne spin-triplet superleder ville være et stort gennembrud for kvanteberegning, fordi den kan bruges til at skabe Majorana fermioner, en unik partikel, som er dens egen antipartikel.

I mere end 20 år har en af ​​de førende kandidater til en p-bølge superleder har været strontiumruthenat (Sr2RuO4), selvom nyere forskning er begyndt at stikke huller i ideen.

Ramshaw og hans team satte sig for en gang for alle at afgøre, om strontiumruthenat er en meget ønsket p-bølge superleder. Ved hjælp af højopløsende resonant ultralydspektroskopi, de opdagede, at materialet potentielt er en helt ny form for superleder helt:g-wave.

"Dette eksperiment viser virkelig muligheden for denne nye type superleder, som vi aldrig havde tænkt på før, "Sagde Ramshaw." Det åbner virkelig rummet for muligheder for, hvad en superleder kan være, og hvordan den kan manifestere sig. Hvis vi nogensinde får styr på at kontrollere superledere og bruge dem i teknologi med den form for finjusteret kontrol, vi har med halvledere, vi vil virkelig gerne vide, hvordan de fungerer, og hvilke sorter og smag de kommer i. "

Som med tidligere projekter, Ramshaw og Ghosh brugte resonant ultralydsspektroskopi til at studere superledningens symmetriegenskaber i en krystal af strontiumruthenat, der blev dyrket og præcisionsskåret af samarbejdspartnere på Max Planck Institute for Chemical Physics of Faststoffer i Tyskland.

Imidlertid, i modsætning til tidligere forsøg, Ramshaw og Ghosh stødte på et betydeligt problem, da de forsøgte at gennemføre eksperimentet.

"Det er svært at nedkøle resonant ultralyd til 1 kelvin (minus 457,87 grader Fahrenheit), og vi måtte bygge et helt nyt apparat for at opnå dette, "Sagde Ghosh.

Med deres nye setup, Cornell -teamet målte reaktionen fra krystalets elastiske konstanter - hovedsagelig lydens hastighed i materialet - på en række forskellige lydbølger, da materialet afkøledes gennem sin superledende overgang til 1,4 kelvin (minus 457 grader Fahrenheit).

"Dette er langt de højeste præcisionsresonant ultralydspektroskopi data, der nogensinde er taget ved disse lave temperaturer, "Sagde Ramshaw.

Baseret på dataene, de fastslog, at strontiumruthenat er det, der kaldes en to-komponent superleder, hvilket betyder, at elektroner binder sammen, er så kompleks, det kan ikke beskrives med et enkelt tal; det har også brug for en retning.

Tidligere undersøgelser havde brugt atommagnetisk resonans (NMR) spektroskopi til at indsnævre mulighederne for, hvilken slags bølgemateriale strontiumruthenat kan være, effektivt eliminerer p-wave som en mulighed.

Ved at bestemme, at materialet var to-komponent, Ramshaws team bekræftede ikke kun disse fund, men viste også, at strontiumruthenat ikke var en konventionel s- eller d-bølge superleder, enten.

"Resonant ultralyd lader dig virkelig gå ind, og selvom du ikke kan identificere alle de mikroskopiske detaljer, du kan komme med brede udsagn om, hvilke der er udelukket, "Sagde Ramshaw." Så de eneste ting, som eksperimenterne er i overensstemmelse med, er disse meget, meget underlige ting, som ingen nogensinde har set før. Den ene er g-wave, hvilket betyder vinkelmoment 4. Ingen har nogensinde troet, at der ville være en g-bølge superleder. "

Nu kan forskerne bruge teknikken til at undersøge andre materialer for at finde ud af, om de er potentielle p-wave-kandidater.

Imidlertid, arbejdet med strontiumruthenat er ikke færdigt.

"Dette materiale er ekstremt godt studeret i mange forskellige sammenhænge, ikke kun for sin superledning, "Sagde Ramshaw." Vi forstår, hvad det er for et metal, hvorfor det er et metal, hvordan det opfører sig, når du ændrer temperatur, hvordan det opfører sig, når du ændrer magnetfeltet. Så du burde være i stand til at konstruere en teori om, hvorfor det bliver en superleder bedre her end bare andre steder. "