En ny tilgang til at studere elektriske ladningsarrangementer i en superleder

Højtemperatur-superledere er en klasse af materialer, der kan lede elektricitet med næsten nul modstand ved temperaturer, der er relativt høje sammenlignet med deres standardmodstykker, som skal nedkøles til næsten det absolutte nulpunkt - den koldest mulige temperatur. Højtemperaturmaterialerne er spændende, fordi de rummer muligheden for at revolutionere det moderne liv, ved at lette ultraeffektiv energitransmission eller blive brugt til at skabe banebrydende kvantecomputere.

En særlig gruppe af højtemperatur-superledere, cuprates, har været undersøgt i 30 år, men videnskabsmænd kan stadig ikke helt forklare, hvordan de virker:Hvad foregår der inde i en 'typisk' cuprate?

At sammensætte et komplet billede af deres elektroniske adfærd er afgørende for at konstruere den 'hellige gral' af cuprates:en alsidig, robust materiale, der kan superlede ved stuetemperatur og omgivende tryk.

Til det formål, en forskergruppe ledet af videnskabsmænd fra det amerikanske energiministeriums (DOE's) Brookhaven National Laboratory opdagede for nylig nye oplysninger om den elektroniske adfærd af en bestemt cuprat ved hjælp af en røntgenteknik, der ikke – indtil nu – er blevet brugt i vid udstrækning til at studere dem. Arbejder delvist hos Brookhaven Labs National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), en DOE Office of Science brugerfacilitet, forskerne brugte en form for røntgenspredning til at undersøge et specifikt arrangement af elektrisk ladning, der opstår i cuprates:et ordnet mønster af elektroner kendt som en ladningsdensitetsbølge (CDW).

Røntgenteknikken – resonant uelastisk røntgenspredning (RIXS) – kan åbne op for spændende nye muligheder for forskning i disse materialer. Resultaterne af denne undersøgelse er offentliggjort i onlineudgaven den 21. maj af Fysisk gennemgangsbreve .

CDW'er i cuprates

En CDW kan visualiseres som et stående bølgemønster af elektroner. CDW'er opstår i ordnede, krystallinske materialer, såsom cuprates, som er sammensat af vekslende lag af kobberoxid og en isolator (typisk et andet oxid). De isolerende planer tjener som ladningsreservoirer, der føder kobberoxidlagene, hvor superledningsevnen finder sted.

CDW'er har længe været mistænkt for at spille en afgørende rolle i, hvordan cuprates superleder, men karakteriserer én – hvordan den opstår og forsvinder, hvordan den opfører sig, hvordan det bidrager til eller hæmmer superledning – er en vedvarende udfordring for videnskabsmænd.

Hos NSLS-II og Storbritanniens Diamond Light Source, gruppen studerede en cuprat sammensat af lanthan, kobber, og oxygen, der var "dopet" med små mængder strontium (kaldet LSCO). Doping er en teknik, hvor små mængder af et urenhedsstof tilsættes til en forbindelse for at ændre eller forbedre dens elektriske, optisk, eller strukturelle egenskaber.

Gruppen oprettede fire LSCO-prøver med fire forskellige dopingniveauer. Dopingniveauerne dækker over en række elektronisk adfærd, hvor CDW er på sit stærkeste og derefter forsvinder. Denne serie dækker også en overgang i den elektroniske struktur af LSCO:"Fermi overfladen, " som er en teoretisk 3D-skal, der adskiller de fyldte og ufyldte elektronorbitaler - volumenet omkring en kerne, hvor bestemte elektroner er mest sandsynligt - når materialet har en temperatur på det absolutte nulpunkt. Fermi-overflader er abstrakte, men de er meget vigtige, ofte forudsige et materiales elektroniske adfærd såvel som mange andre egenskaber.

En ny måde at studere cuprate CDW'er på

I RIXS, energien af ​​indfaldende røntgenfotoner overføres til elektroner på kerneniveau i en krystallinsk prøve, "spændende" dem ind i ledningsbåndet. De ledige pladser, som kerneelektronerne efterlader, udfyldes af valensbåndelektroner, som udsender en foton, når de springer til det lavere energibånd. Disse udsendte fotoner danner et spektrum af energier, der kan analyseres for at få information om excitationerne og materialets overordnede elektroniske adfærd.

På NSLS-II, arbejdet blev udført ved Soft Inelastic X-Ray (SIX) beamline, som tilbyder RIXS med ultrahøj energiopløsning. Teknikken har en øget følsomhed over for excitationer af både valenselektroner og fononer - de kollektive vibrationer af atomgitteret. En CDW kan forbindes med disse excitationer.

"Den nylige opdagelse af, at CDW-effekter er vævet ind i cuprat RIXS-spektre, har været spændende for forskere på dette område, da det rummer det fristende løfte om, at vi måske er i stand til at afklare de interaktioner, der giver anledning til CDW'er, " sagde Mark Dean, en fysiker i Brookhaven's Condensed Matter Physics and Materials Science Department, der ledede undersøgelsen sammen med Xuerong Liu fra Shanghai Tech University og Valentina Bisogni fra NSLS-II.

Dean og hans kolleger fandt ud af, at RIXS-spektrene for det meste er uændrede på alle dopingniveauer, på trods af at krydse Fermi-overgangen. Dette indikerer, at spektrene ikke er relateret til excitationer nær Fermi-overfladen. Men at lære mere fra RIXS-spektrene – nemlig, at isolere og fortolke de mulige virkninger af en CDW - er en udfordring.

"CDW'er modificerer uundgåeligt deres værtskrystalgitter og dermed fononerne, " sagde Bisogni. "Yderligere komplicerende ting er det faktum, at der er forskellige tilgange til fortolkning af RIXS-data."

Gennem strenge, omhyggelig analyse, forskerholdet konkluderede, at RIXS-spektrene har ringe eller ingen direkte relation til elektroniske excitationer. I stedet, de er stærkest påvirket af fononadfærd, inklusive en "blødgøring" af fononerne - en reduktion i frekvens - induceret af CDW og ændringer i intensiteten af ​​fononerne.

"Den verdensrekord energiopløsning, der for nylig blev opnået ved SIX-strålelinjen, var afgørende for denne undersøgelse, giver os mulighed for at løse og identificere de forskellige bidrag, der findes i RIXS-dataene, " sagde Dean.

Gruppen udtaler, at deres resultater understøtter et scenarie, hvor CDW er drevet af "stærke korrelationer" mellem elektroner - et udtryk, der bruges til at beskrive ikke-velforstået elektronisk adfærd i materialer - og tilføjer støtte til ideen om, at RIXS-responsen i cuprates er drevet af, hvordan CDW modificerer krystalgitteret, og hvordan disse modifikationer fremkalder mere komplekse interaktioner.

"Takket være præstationen af ​​SIX, vi var i stand til at placere en ny brik i puslespillet, som er fysikken i cuprate-superlederne, " sagde Bisogni. "Efter alt arbejdet med at få bygget beamline, bestilt, og optimeret, det er fantastisk at se storslået videnskab komme ud af den indsats. Vi håber, at denne publikation vil være den første af mange sådanne samarbejdsudgivelser."

I det fremtidige arbejde, det samme hold håber at studere disse systemer med endnu højere energiopløsning for at afsløre detaljer om gitterets vibrationstilstande med lavere energi.