Brug af ultra-lave temperaturer til at forstå høj temperatur superledning

En overraskende opdagelse på TU Wien kunne hjælpe med at løse gåden om høj temperatur superledning:Et berømt "mærkeligt metal" viste sig at være en superleder.

Ved lave temperaturer, visse materialer mister deres elektriske modstand og leder elektricitet uden tab - dette fænomen med superledning har været kendt siden 1911, men det er stadig ikke helt forstået. Og det er ærgerligt, fordi at finde et materiale, der stadig ville have superledende egenskaber selv ved høje temperaturer, sandsynligvis ville udløse en teknologisk revolution.

En opdagelse foretaget på TU Wien (Wien) kan være et vigtigt skridt i denne retning:Et team af fysikere i fast tilstand undersøgte et usædvanligt materiale-et såkaldt "mærkeligt metal" lavet af ytterbium, rhodium og silicium. Mærkelige metaller viser et usædvanligt forhold mellem elektrisk modstand og temperatur. I tilfælde af dette materiale, denne sammenhæng kan ses i et særligt bredt temperaturområde, og den underliggende mekanisme er kendt. I modsætning til tidligere antagelser, det viser sig nu, at dette materiale også er en superleder, og at superledning er tæt forbundet med mærkelig metaladfærd. Dette kan også være nøglen til at forstå høj temperatur superledning i andre materialeklasser.

Mærkeligt metal:Lineært forhold mellem modstand og temperatur

I almindelige metaller, elektrisk modstand ved lave temperaturer stiger med kvadratet af temperaturen. I nogle høj temperatur superledere, imidlertid, situationen er helt anderledes:ved lave temperaturer, under den såkaldte superledende overgangstemperatur, de viser slet ingen elektrisk modstand, og over denne temperatur stiger modstanden lineært i stedet for kvadratisk med temperaturen. Det er det, der definerer "mærkelige metaller".

"Det er derfor allerede blevet mistænkt i de seneste år, at dette lineære forhold mellem modstand og temperatur er af stor betydning for superledning, " siger prof. Silke Bühler-Paschen, der leder forskningsområdet "Quantum Materials" ved Institute of Solid State Physics på TU Wien. "Men desværre, indtil nu vidste vi ikke om et egnet materiale til at studere dette i dybden. "I tilfælde af høj temperatur superledere, det lineære forhold mellem temperatur og modstand kan normalt kun detekteres i et relativt lille temperaturområde, og, desuden, forskellige effekter, der uundgåeligt forekommer ved højere temperaturer, kan påvirke dette forhold på komplicerede måder.

Mange eksperimenter er allerede blevet udført med et eksotisk materiale (YbRh2Si2), der viser mærkelig metaladfærd over et ekstremt bredt temperaturområde - men, overraskende, der syntes ikke at komme nogen superledelse fra denne ekstreme "mærkelige metal" -tilstand. "Der er allerede fremsat teoretiske overvejelser for at begrunde, hvorfor superledning simpelthen ikke er mulig her, " siger Silke Bühler-Paschen. "Alligevel, Vi besluttede at tage et andet kig på dette materiale. "

Rekordstore temperaturer

På TU Wien, et særligt kraftigt lavtemperaturlaboratorium er tilgængeligt. "Der kan vi studere materialer under mere ekstreme forhold, end andre forskergrupper hidtil har kunnet gøre, " forklarer Silke Bühler-Paschen. Først teamet var i stand til at vise, at i YbRh2Si2 eksisterer det lineære forhold mellem modstand og temperatur i et endnu større temperaturområde end tidligere antaget - og så gjorde de nøglefunden:ved ekstremt lave temperaturer på kun en millikelvin, det mærkelige metal bliver til en superleder.

"Dette gør vores materiale ideelt egnet til at finde ud af, på hvilken måde den mærkelige metaladfærd fører til superledning, ”siger Silke Bühler-Paschen.

Paradoksalt nok, netop det faktum, at materialet først bliver superledende ved meget lave temperaturer, sikrer, at det kan bruges til at studere højtemperatur-superledning særligt godt:"De mekanismer, der fører til superledning, er synlige særligt godt ved disse ekstremt lave temperaturer, fordi de ikke overlejres af andre effekter i dette regime. I vores materiale, dette er lokaliseringen af ​​nogle af ledningselektronerne på et kvantekritisk punkt. Der er indikationer på, at en lignende mekanisme også kan være ansvarlig for opførselen af ​​højtemperatur-superledere, såsom de berømte cuprater, ”siger Silke Bühler-Paschen.