Et overraskende resultat for faststoffysikere antyder en usædvanlig elektronadfærd

Mens man studerer elektronernes adfærd i jernbaserede superledende materialer, forskere ved University of Tokyo observerede et mærkeligt signal relateret til den måde, elektroner er arrangeret på. Signalet antyder et nyt arrangement af elektroner, som forskerne kalder en nematicitetsbølge, og de håber at samarbejde med teoretiske fysikere for bedre at forstå det. Nemticitetsbølgen kan hjælpe forskere med at forstå den måde, elektroner interagerer med hinanden i superledere.

En langvarig drøm for faststoffysikere er fuldt ud at forstå fænomenet superledning - i det væsentlige elektronisk ledning uden den modstand, der skaber varme og dræner strøm. Det ville indlede en helt ny verden af ​​utroligt effektive eller kraftfulde enheder og bliver allerede brugt på Japans eksperimentelle magnetiske levitations-kugletog. Men der er meget at udforske i dette komplekse emne, og det overrasker ofte forskere med uventede resultater og observationer.

Professor Shik Shin fra Institute for Solid State Physics ved University of Tokyo og hans team studerer, hvordan elektroner opfører sig i jernbaserede superledende materialer, eller IBSC'er. Disse materialer viser meget lovende, da de kunne arbejde ved højere temperaturer end nogle andre superledende materialer, hvilket er en vigtig bekymring. De bruger også mindre eksotiske materialekomponenter, så de kan være nemmere og billigere at arbejde med. For at aktivere en prøves superledende evne, materialet skal køles ned til flere hundrede minusgrader. Og der sker interessante ting under denne afkølingsproces.

"Når IBSC'er køler ned til et vist niveau, de udtrykker en tilstand, vi kalder elektronisk nematicitet, " sagde Shin. "Det er her krystalgitteret af materialet og elektronerne i det ser ud til at være arrangeret forskelligt afhængigt af den vinkel du ser på dem, ellers kendt som anisotropi. Vi forventer, at den måde, elektroner er arrangeret på, er tæt koblet til den måde, hvorpå det omgivende krystalgitter er arrangeret. Men vores seneste observation viser noget meget anderledes og faktisk ret overraskende."

Shin og hans team brugte en speciel teknik udviklet af deres gruppe kaldet laser-PEEM (fotoemissionselektronmikroskopi) til at visualisere deres IBSC-prøve på mikroskopisk skala. De forventede at se et velkendt mønster, der gentager sig med få nanometer (milliarddele af en meter). Og ganske rigtigt viste krystalgitteret dette mønster. Men til deres overraskelse, holdet fandt ud af, at mønsteret af elektroner gentog sig hvert par hundrede nanometer i stedet for.

Denne forskel mellem elektronnematicitetsbølgen og den krystallinske struktur af IBSC var uventet, så dets implikationer er stadig under undersøgelse. Men resultatet kunne åbne døren til teoretiske og eksperimentelle udforskninger af noget grundlæggende for fænomenet superledning, og det er den måde, elektroner danner par ved lave temperaturer. Kendskab til denne proces kan være afgørende for udviklingen af ​​højtemperatursuperledning. Så hvis nematicitetsbølger er relaterede, det er vigtigt at vide hvordan.

"Næste, Jeg håber, vi kan arbejde sammen med teoretiske fysikere for at fremme vores forståelse af nematicitetsbølger, " sagde Shin. "Vi ønsker også at bruge laser-PEEM til at studere andre relaterede materialer såsom metaloxider som kobberoxid. Det er måske ikke altid indlysende, hvor ansøgningerne ligger, men at arbejde med problemer med grundlæggende fysik fascinerer mig virkelig."

Undersøgelsen er publiceret i tidsskriftet Videnskab .