Efter 20 års forsøg, det lykkes for forskere at dope en 1D-kæde af cuprater

Når forskere studerer ukonventionelle superledere - komplekse materialer, der leder elektricitet uden tab ved relativt høje temperaturer - er de ofte afhængige af forenklede modeller for at få en forståelse af, hvad der foregår.

Forskere ved, at disse kvantematerialer får deres evner fra elektroner, der går sammen om at danne en slags elektronsuppe. Men at modellere denne proces i al sin kompleksitet ville tage langt mere tid og computerkraft, end nogen kan forestille sig at have i dag. Så for at forstå en nøgleklasse af ukonventionelle superledere - kobberoxider, eller cuprates – forskere skabt, for enkelhedens skyld, en teoretisk model, hvor materialet eksisterer i kun én dimension, som en række af atomer. De lavede disse endimensionelle cuprates i laboratoriet og fandt ud af, at deres adfærd stemte ret godt overens med teorien.

Desværre, disse 1D-atomkæder manglede én ting:De kunne ikke dopes, en proces, hvor nogle atomer erstattes af andre for at ændre antallet af elektroner, der er frie til at bevæge sig rundt. Doping er en af ​​flere faktorer, videnskabsmænd kan justere for at justere adfærden af ​​materialer som disse, og det er en kritisk del af at få dem til at superlede.

Nu har en undersøgelse ledet af forskere ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory og Stanford og Clemson universiteterne syntetiseret det første 1D-cupratmateriale, der kan dopes. Deres analyse af det dopede materiale tyder på, at den mest fremtrædende foreslåede model af, hvordan cuprater opnår superledning, mangler en nøgleingrediens:en uventet stærk tiltrækning mellem naboelektroner i materialets atomstruktur, eller gitter. Den attraktion, de sagde, kan være resultatet af interaktioner med naturlige gittervibrationer.

Holdet rapporterede deres resultater i dag i Videnskab .

"Den manglende evne til kontrollerbart at dope endimensionelle cupratsystemer har været en væsentlig barriere for at forstå disse materialer i mere end to årtier, " sagde Zhi-Xun Shen, en Stanford -professor og efterforsker ved Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) ved SLAC.

"Nu hvor vi har gjort det, " han sagde, "vores eksperimenter viser, at vores nuværende model går glip af et meget vigtigt fænomen, der er til stede i det virkelige materiale."

Zhuoyu Chen, en postdoktor i Shens laboratorium, der ledede den eksperimentelle del af undersøgelsen, sagde, at forskningen blev muliggjort af et system, som holdet udviklede til at lave 1D-kæder indlejret i et 3D-materiale og flytte dem direkte ind i et kammer ved SLACs Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) til analyse med en kraftig røntgenstråle.

"Det er et unikt setup, " han sagde, "og uundværlig for at opnå de data af høj kvalitet, vi havde brug for for at se disse meget subtile effekter."

Fra gitter til kæder, i teorien

Den fremherskende model, der bruges til at simulere disse komplekse materialer, er kendt som Hubbard-modellen. I sin 2D-version, den er baseret på en lejlighed, jævnt fordelt gitter af de enklest mulige atomer.

Men dette grundlæggende 2D-gitter er allerede for kompliceret til nutidens computere og algoritmer at håndtere, sagde Thomas Devereaux, en SLAC- og Stanford -professor og SIMES -efterforsker, der overvågede den teoretiske del af dette arbejde. Der er ingen velaccepteret måde at sikre sig, at modellens beregninger for materialets fysiske egenskaber er korrekte, så hvis de ikke matcher eksperimentelle resultater, er det umuligt at sige, om beregningerne eller den teoretiske model gik galt.

For at løse det problem, videnskabsmænd har anvendt Hubbard-modellen på 1D-kæder af det enklest mulige cuprat-gitter - en streng af kobber- og oxygenatomer. Denne 1D-version af modellen kan nøjagtigt beregne og fange elektronernes kollektive adfærd i materialer lavet af udopede 1D-kæder. Men indtil nu, der har ikke været en måde at teste nøjagtigheden af ​​dens forudsigelser for de dopede versioner af kæderne, fordi ingen var i stand til at lave dem i laboratoriet, trods mere end to årtiers forsøg.

"Vores største præstation var at syntetisere disse dopede kæder, " sagde Chen. "Vi var i stand til at dope dem over et meget bredt område og få systematiske data til at fastlægge, hvad vi observerede."

Et atomlag ad gangen

For at lave de dopede 1D-kæder, Chen og hans kolleger sprøjtede en film af et kupratmateriale kendt som barium strontium kobberoxid (BSCO), bare et par atomlag tykke, på en støttende overflade inde i et forseglet kammer ved den specialdesignede SSRL-strålelinje. Formen af ​​gitterne i filmen og på overfladen var linet op på en måde, der skabte 1D-kæder af kobber og oxygen indlejret i 3D BSCO-materialet.

De dopede kæderne ved at udsætte dem for ozon og varme, som tilføjede oxygenatomer til deres atomgitre, sagde Chen. Hvert oxygenatom trak en elektron ud af kæden, og de frigjorte elektroner bliver mere mobile. Når millioner af disse fritflydende elektroner samles, de kan skabe den kollektive tilstand, der er grundlaget for superledning.

Derefter sendte forskerne deres kæder ind i en anden del af strålelinjen til analyse med vinkelopløst fotoemissionsspektroskopi, eller ARPES. Denne teknik udstødte elektroner fra kæderne og målte deres retning og energi, giver forskerne et detaljeret og følsomt billede af, hvordan elektronerne i materialet opfører sig.

Overraskende stærke attraktioner

Deres analyse viste, at i det dopede 1D-materiale, elektronernes tiltrækning til deres modstykker i tilstødende gittersteder er 10 gange stærkere end Hubbard-modellen forudsiger, sagde Yao Wang, en adjunkt ved Clemson University, der arbejdede på teorisiden af ​​undersøgelsen.

Forskerholdet foreslog, at dette høje niveau af "nærmeste-nabo"-attraktion kan stamme fra interaktioner med fononer - naturlige vibrationer, der rykker i det atomare gitterværk. Fononer er kendt for at spille en rolle i konventionel superledning, og der er indikationer på, at de også kan være involveret på en anden måde i ukonventionel superledning, der forekommer ved meget varmere temperaturer i materialer som cuprates, selvom det ikke er endeligt bevist.

Forskerne sagde, at det er sandsynligt, at denne stærke nærmest-nabo-attraktion mellem elektroner findes i alle cuprates og kunne hjælpe med at forstå superledning i 2D-versionerne af Hubbard-modellen og dens pårørende, giver videnskabsmænd et mere komplet billede af disse forvirrende materialer.