Terahertz-lys fra superledende striber

Hvorfor bærer nogle materialer elektriske strømme uden modstand, når de afkøles til næsten det absolutte nulpunkt, mens andre gør det ved forholdsvis høje temperaturer? Dette nøglespørgsmål fortsætter med at irritere videnskabsmænd, der studerer fænomenet superledning. Nu har et team af forskere fra Andrea Cavalleris gruppe ved Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter (MPSD) i Hamborg fremlagt bevis for, at elektron-"striber" i visse kobberbaserede forbindelser kan føre til et brud i materialets krystalsymmetri. , som vedvarer selv i deres superledende tilstand. Deres arbejde er blevet offentliggjort i PNAS .

Med fokus på en række cuprates undersøgte holdet sameksistensen og konkurrencen af ​​deres superledende tilstand med andre kvantefaser. Sådanne vekselvirkninger menes at være afgørende for udviklingen af ​​højtemperatur-superledning - en proces, der stadig er et af de vigtigste uløste problemer inden for kondenseret stofs fysik i dag.

Forskerne udsatte flere cuprate-krystaller, dyrket og karakteriseret ved Brookhaven National Labs, for ultrakorte laserlysimpulser. De observerede, hvordan materialerne begyndte at udsende en bestemt type terahertz (THz) lys - en teknik kendt som THz emissionsspektroskopi.

Normalt forekommer sådanne emissioner kun i nærværelse af et magnetfelt eller polariserende strøm. Men MPSD-holdet undersøgte cupraterne uden at anvende nogen ekstern bias og opdagede "unormal" THz-emission i nogle af dem. Disse forbindelser indeholdt den såkaldte ladningsstribe-rækkefølge - hvor elektronerne arrangerer sig selv i kædemønstre i stedet for at bevæge sig frit rundt. Ladningsstriberækkefølgen ser ud til at bryde materialets krystalsymmetri, ligesom et magnetfelt eller en påført strøm ville gøre, idet denne symmetribrud fortsætter i den superledende tilstand.

"Ved at udføre eksperimenter på forskellige forbindelser," siger Daniele Nicoletti, avisens hovedforfatter, "var vi meget overraskede over at finde klar sammenhængende og næsten ensfarvet THz-emission i nogle superledere og omvendt en total mangel på respons i andre. Vi var i stand til at associere THz-emissionsegenskaber med rimelig sikkerhed med tilstedeværelsen af ​​ladningsstribeorden, en ejendommelig ordnet fase fundet i forskellige familier af cuprater, som menes at spille en rolle i mekanismen bag højtemperatursuperledning. Ladningsstriber er sandsynligvis at forårsage et symmetribrud i superlederen, hvis tilstedeværelse ikke var blevet fundet ved andre eksperimentelle teknikker i fortiden."

I samarbejde med fysikere fra Harvard University, ETH Zürich og den teoretiske afdeling af MPSD har holdet givet en detaljeret forklaring på denne fænomenologi. Med udgangspunkt i observationen af, at den kohærente THz-emission forekommer meget tæt på "Josephson-plasmafrekvensen", som er resonans-tunnelfrekvensen af ​​superledende elektronpar på tværs af de krystallinske kobber-ilt-planer, identificerede forskerne såkaldte "overflade-Josephson-plasmoner" som emissionskilden. Disse er analoger af lydbølger, der udvikler sig i grænsefladen mellem superlederen og det eksterne miljø. I princippet er disse "støjsvage" tilstande, hvilket betyder, at de ikke kobles direkte med lys og derfor ikke forventes at udstråle. Men det er netop tilstedeværelsen af ​​ladningsmodulationen introduceret af striberækkefølge, der giver den nødvendige kobling med omverdenen og tillader disse tilstande at lyse op.

Teamets arbejde giver vigtig ny indsigt i de processer, der fører til højtemperatursuperledning. Det afslører også sammenhængende unormal THz-emission som et følsomt værktøj til at undersøge symmetrien af ​​superledere i nærvær af andre faser. Forskerne mener, at det bør anvendes på en bredere klasse af forbindelser i fremtiden, hvilket åbner nye muligheder for at forstå fysikken i komplekse interaktioner i disse materialer. + Udforsk yderligere

Ny indsigt i ukonventionel superledning