Når vibrationer stiger ved afkøling:Anti-frost observeret

Et internationalt team har observeret et fantastisk fænomen i et nikkeloxidmateriale under afkøling:I stedet for at fryse, visse udsving stiger faktisk, når temperaturen falder. Nikkeloxid er et modelsystem, der strukturelt ligner højtemperatursuperledere. Eksperimentet viser endnu en gang, at opførselen af ​​denne klasse af materialer stadig rummer overraskelser.

I stort set alle spørgsmål, lavere temperaturer betyder mindre bevægelse af dets mikroskopiske komponenter. Jo mindre varmeenergi der er tilgængelig, jo sjældnere ændrer atomer deres placering eller magnetiske øjeblikke deres retning:de fryser. Et internationalt hold ledet af forskere fra HZB og DESY har nu for første gang observeret den modsatte adfærd i et nikkeloxidmateriale, der er tæt forbundet med højtemperatursuperledere. Udsving i denne nikkelat fryser ikke ved afkøling, men blive hurtigere.

Vi brugte den innovative teknik til røntgenkorrelationsspektroskopi til at observere dem:Dette tillod os at spore rækkefølgen af ​​elementære magnetiske øjeblikke (spins) i rum og tid ved hjælp af sammenhængende bløde røntgenstråler. Disse spins arrangerer sig selv i et stribelignende mønster ved afkøling. Denne bestilling er ikke perfekt ved højere temperaturer, men består af et tilfældigt arrangement af små lokalt ordnede regioner. Vi fandt, at dette arrangement ikke var statisk, men at svinge på tidsskalaer på et par minutter. Mens afkølingen fortsætter, disse udsving bliver i første omgang langsommere og langsommere, og de enkelte ordnede regioner vokser. Indtil nu, denne adfærd svarer til, hvad mange materialer viser:Jo mindre termisk energi er tilgængelig, jo flere udsving fryser og orden vokser.

Hvad der er helt usædvanligt og aldrig var blevet observeret på denne måde før, var at efterhånden som materialet afkøledes yderligere, udsvingene blev hurtigere igen, mens de bestilte områder skrumpede. Stribeordenen henfalder således ved lave temperaturer både rumligt og gennem stadigt hurtigere udsving, viser en slags frostbeskyttelse.

Denne observation kan bidrage til bedre at forstå høj temperatur superledningsevne i kobberoxider (cuprates). I cuprates, striberækkefølge svarende til den i nikkelater menes at konkurrere med superledning. der, også, striberækkefølgen falder ved lave temperaturer, som er blevet forklaret som superledning, indstilling ved lave temperaturer, undertrykker striberækkefølgen. Da der ikke er nogen superledningsevne i nikkelater, men striberækkefølgen falder ikke desto mindre ved lave temperaturer, et vigtigt aspekt synes at mangle fra den nuværende beskrivelse af cuprat-superledning. Det er muligt, at stribeordren i cuprates ikke bare undertrykkes, men også henfalder af iboende årsager, dermed "rydder feltet" for fremkomsten af ​​superledning. En dybere forståelse af denne mekanisme kunne hjælpe med at kontrollere superledning.

Undersøgelsen viser potentialet for sammenhængende bløde røntgenstråler til at studere materialer, der er rumligt uensartede, især de materialer, hvor der opstår ny funktionalitet fra denne rumlige uensartethed. Korrelationsspektroskopi med lasere er blevet brugt i mange årtier til at studere, for eksempel, bevægelsen af ​​kolloider i løsninger. Overført til bløde røntgenstråler, teknikken kan bruges til at følge udsvingene af magnetiske og f.eks. også elektronisk og kemisk lidelse i rum og tid.

Eksperimenterne beskrevet her blev udført ved Advanced Light Source ALS, Californien.

Med fremtidige røntgenkilder som BESSY III, som vil producere mange størrelsesordener mere intens kohærent røntgenstråling end nuværende kilder, det bliver muligt at udvide denne teknik til hurtigere udsving og kortere længdeskalaer, og dermed observere effekter, der ikke har været opnåelige hidtil.