Fysikere afslører hemmeligheder bag verdens tyndeste superleder

Fysikere fra på tværs af tre kontinenter rapporterer det første eksperimentelle bevis for at forklare den usædvanlige elektroniske adfærd bag verdens tyndeste superleder, et materiale med utallige anvendelsesmuligheder, fordi det leder elektricitet ekstremt effektivt. I dette tilfælde er superlederen kun et atomlag tykt.

Arbejdet, ledet af en MIT-professor og en fysiker ved Brookhaven National Laboratory, var muligt takket være ny instrumentering tilgængelig på kun få faciliteter i verden. De resulterende data kan hjælpe med at guide udviklingen af ​​bedre superledere. Disse kan igen transformere felterne inden for medicinsk diagnostik, kvanteberegning, og energitransport, som alle bruger superledere.

Emnet for værket tilhører en spændende klasse af superledere, der bliver superledende ved temperaturer en størrelsesorden højere end deres konventionelle modstykker, gør dem nemmere at bruge i applikationer. Konventionelle superledere virker kun ved temperaturer omkring 10 Kelvin, eller -442 Fahrenheit.

Disse såkaldte højtemperatur-superledere, imidlertid, er stadig ikke fuldt ud forstået. "Deres mikroskopiske excitationer og dynamik er afgørende for at forstå superledning, men efter 30 års forskning, mange spørgsmål er stadig meget åbne, " siger Riccardo Comin, klasse af 1947 karriereudvikling assisterende professor i fysik ved MIT. Det nye værk, som er rapporteret i den 25. maj, 2021 udgave af Naturkommunikation , hjælper med at besvare disse spørgsmål.

Verdens tyndeste superleder

I 2015 opdagede forskere en ny slags højtemperatur-superleder:en plade af jernselenid, der kun er et atomlag tykt, der er i stand til at superlede ved 65 Kelvin. I modsætning, bulkprøver af samme materialesuperleder ved en meget lavere temperatur (8 Kelvin). Opdagelsen "udløste en efterforskningsbyge for at afkode hemmelighederne bag verdens tyndeste superleder, " siger Comin, som også er tilknyttet MIT's Materials Research Laboratory.

I et almindeligt metal, elektroner opfører sig meget som individuelle mennesker, der danser i et rum. I et superledende metal, elektronerne bevæger sig i par, som par til en dans. "Og alle disse par bevæger sig i forening, som om de var en del af en kvantekoreografi, i sidste ende fører til en slags elektronisk superfluid, " siger Comin.

Men hvad er samspillet, eller "lim, "der holder disse elektronpar sammen? Forskere har længe vidst, at i konventionelle superledere, at lim er afledt af atomernes bevægelse i et materiale. "Hvis du ser på en solid siddende på et bord, det ser ikke ud til at gøre noget, " siger Comin. Men, "der sker meget på nanoskala. Inde i det materiale flyver elektroner forbi i alle mulige retninger, og atomerne rasler; de vibrerer." I konventionelle superledere, elektronerne bruger den energi, der er lagret i den atomare bevægelse, til at parre sig.

Limen bag elektronernes parring i højtemperatursuperledere er anderledes. Forskere har teoretiseret, at denne lim er relateret til en egenskab ved elektroner kaldet spin (en anden, mere velkendte egenskab ved elektroner er deres ladning). Spindet kan opfattes som en elementær magnet, siger Pelliciari. Tanken er, at i en højtemperatur-superleder, elektroner kan opfange noget af energien fra disse spins, kendt som spin-excitationer. Og den energi er den lim, de bruger til at parre.

Indtil nu, de fleste fysikere troede, at det ville være umuligt at detektere eller måle spin-excitationer i et materiale, der kun var et atomlag tykt. Det er den bemærkelsesværdige præstation af det arbejde, der er rapporteret i Naturkommunikation . Ikke alene opdagede fysikerne spin-excitationer, men, blandt andet, de viste også, at spindynamikken i den ultratynde prøve var dramatisk forskellig fra dem i bulkprøven. Specifikt, energien af ​​de fluktuerende spins i den ultratynde prøve var meget højere - med en faktor på fire eller fem - end energien af ​​spins i bulkprøven.

"Dette er det første eksperimentelle bevis på tilstedeværelsen af ​​spin-excitationer i et atomisk tyndt materiale, " siger Pelliciari.

State-of-the-art udstyr

Historisk set, neutronspredning er blevet brugt til at studere magnetisme. Da spin er magnetismens grundlæggende egenskab, neutronspredning ser ud til at være en god eksperimentel sonde. "Problemet er, at neutronspredning ikke virker på et materiale, der kun er et atomlag tykt, " siger Pelliciari.

Indtast resonant uelastisk røntgenspredning (RIXS), en ny eksperimentel teknik, som Pelliciari hjalp med at pionere.

Han og Comin diskuterede potentialet for at bruge RIXS til at studere spindynamikken i den nye ultratynde superleder, men Comin var i starten skeptisk. "Jeg troede, 'Ja, det ville være fantastisk, hvis vi kunne gøre dette, men eksperimentelt bliver det nærmest umuligt, "" husker Comin. "Jeg troede, det var et sandt måneskud." Som et resultat, "da Johnny indsamlede de allerførste resultater, det var åndssvagt for mig. Jeg havde holdt mine forventninger lave, så da jeg så dataene, Jeg hoppede på min stol."

Kun få faciliteter i verden har avancerede RIXS-instrumenter. En, placeret ved Diamond Light Source (UK) og ledet af Dr. Zhou, er der, hvor holdet udførte deres eksperiment. Endnu en, som stadig blev bygget på tidspunktet for eksperimentet, er på Brookhaven National Laboratory. Pelliciari er nu en del af teamet, der driver RIXS-anlægget, kendt som Beamline SIX, ved National Synchrotron Light Source II placeret på Brookhaven Lab.

"Konsekvensen af ​​dette arbejde er todelt, " siger Dr. Thorsten Schmitt, leder af Spectroscopy of Novel Materials Group ved Paul Scherrer Institut i Schweiz. Schmitt var ikke involveret i arbejdet. "På den eksperimentelle side, det er en imponerende demonstration af RIXS' følsomhed over for spin-excitationer i et superledende materiale, der kun er et atomlag tykt. Desuden, de [resulterende data] forventes at bidrage til forståelsen af ​​forbedringen af ​​den superledende overgangstemperatur i sådanne tynde superledere." Med andre ord, arbejdet kunne føre til endnu bedre superledere.

siger Valentina Bisogni, ledende videnskabsmand for Beamline SIX, "Forståelsen af ​​ukonventionel superledning er en af ​​de største udfordringer, som videnskabsmænd står over for i dag. Den nylige opdagelse af høj-temperatur superledning i en enkeltlags tynd film af jern selenid fornyede interessen for jern selenid systemet, da det giver en ny vej til at undersøge mekanismerne, der muliggør superledning ved høje temperaturer.

"I denne sammenhæng, arbejdet af Pelliciari et al. præsenterer en oplysende, sammenlignende undersøgelse af bulk jern selenid og monolag-tynd jern selenid, der afslører en dramatisk rekonfiguration af spin excitationerne." Bisogni var ikke involveret i Pelliciari-arbejdet.