Forskere afvikler fysikken i højtemperatur-superledere

Når nogle materialer afkøles til en bestemt temperatur, mister de elektrisk modstand og bliver til superledere.

I denne tilstand kan en elektrisk ladning løbe gennem materialet på ubestemt tid, hvilket gør superledere til en værdifuld ressource til at transmittere store mængder elektricitet og andre applikationer. Superledere færger elektricitet mellem Long Island og Manhattan. De bruges i medicinsk billeddannende udstyr såsom MRI-maskiner, i partikelacceleratorer og i magneter som dem, der bruges i maglev-tog. Selv uventede materialer, såsom visse keramiske materialer, kan blive superledere, når de afkøles tilstrækkeligt.

Men videnskabsmænd har tidligere ikke forstået, hvad der sker i et materiale for at gøre det til en superleder. Specifikt, hvordan højtemperatursuperledning, som forekommer i nogle kobberoxidmaterialer, virker, er ikke tidligere blevet forstået. En teori fra 1966, der undersøgte en anden type superledere, hævdede, at elektroner, der spinder i modsatte retninger, binder sig sammen for at danne det, der kaldes et Cooper-par og tillader elektrisk strøm at passere gennem materialet frit.

Et par studier ledet af University of Michigan undersøgte, hvordan superledning virker, og fandt i det første papir, at omkring 50 % af superledningsevnen kan tilskrives teorien fra 1966 - men virkeligheden, som blev undersøgt i den anden artikel, er lidt mere kompliceret. Undersøgelserne, ledet af nyligt U-M doktorgraduat Xinyang Dong og U-M fysiker Emanuel Gull, er offentliggjort i Nature Physics og Proceedings of the National Academy of Science.

Elektroner, der flyder i en krystal, har brug for noget til at binde dem sammen, sagde Gull. Når du har to elektroner bundet sammen, bygger de en superledende tilstand. Men hvad binder disse elektroner sammen? Elektroner frastøder typisk hinanden, men 1966-teorien foreslog, at i en krystal med stærke kvanteeffekter bliver elektron-elektronafstødningen screenet eller absorberet af krystallerne.

Mens elektronafstødningen absorberes af krystallen, opstår en modsat tiltrækning fra elektronernes roterende egenskaber - og får elektronerne til at binde sig i Cooper-par. Dette ligger til grund for manglen på elektronisk resistivitet. Teorien tager dog ikke højde for komplekse kvanteeffekter i disse krystaller.

"Det er en meget simpel teori, og du ved, den har eksisteret i lang tid. Det var dybest set det teoretiske budskab fra 1980'erne, 1990'erne og 2000'erne," sagde Gull. "Du kunne skrive disse teorier ned, men du kunne ikke rigtigt beregne noget - hvis du ville, skulle du løse kvantesystemer, der har mange frihedsgrader. Og nu skrev min kandidatstuderende koder, der gør præcis det."

Til papiret udgivet i Nature Physics , Dong undersøgte denne teori ved at bruge supercomputere til at anvende det, der kaldes den dynamiske klyngemetode på en kobberoxid-baseret superleder. I denne metode beregnes elektronerne og deres spin-fluktuationer sammen, hvilket giver forskerne mulighed for at lave en kvantitativ analyse af interaktionerne mellem elektronerne og deres spin.

For at gøre dette kiggede Dong ind i de områder, hvor materialet bliver en superleder, og undersøgte hovedmængden af ​​spin-fluktuationer kaldet magnetisk spin-modtagelighed. Hun beregnede modtageligheden og beregnede regionen og sammen med Gull og Andrew Mills, en fysiker ved Columbia University, analyserede regionen.

Med denne spin-modtagelighed kunne forskerne kontrollere forudsigelsen af ​​simpel spin-fluktuationsteori. De fandt, at denne teori var i overensstemmelse med superledningsaktivitet - til omkring 50%. Det vil sige, at omkring halvdelen af ​​et materiales superledningsevne kan redegøres for ved hjælp af fluktuationsteorien.

"Det er et stort resultat, fordi vi på den ene side har vist, at denne teori virker, men også at den faktisk ikke fanger alt, hvad der sker," sagde Gull. "Spørgsmålet er selvfølgelig, hvad der sker med den anden halvdel, og dette er stedet, hvor 1960'ernes teoretiske ramme var for enkel."

I et papir udgivet i PNAS , Gull og Dong udforskede den anden halvdel. De vendte tilbage for at undersøge elektronsystemerne i en forenklet model af en superledende krystal. I denne kobberoxidkrystal er der lag af kobber-iltbindinger. Kobberatomerne bygger et kvadratisk gitter, og i denne konfiguration mangler hvert atom en enkelt elektron.

Når fysikere tilføjer et grundstof som strontium, som vil dele en elektron med kobber-iltlaget, til materialet bliver materialet en leder. I dette tilfælde kaldes strontium et dopantatom. Til at begynde med, jo flere ladningsbærere du tilføjer, jo mere superledende vil materialet blive. Men hvis du tilføjer for mange ladningsbærere, forsvinder den superledende egenskab.

Gull og hans medforfattere kiggede ind i dette materiale og undersøgte ikke kun elektronernes spin, men også deres ladningsudsving.

Gull siger, at de fluktuationer, der er praktiske til at forstå systemet, viser sig på to måder:Den første er, at signalet er på et enkelt momentumpunkt, og for det andet er, at signalet er ved en lav frekvens. En enkelt momentum lavfrekvent excitation betyder, at der er en langvarig excitation, der hjælper forskerne med at se og beskrive systemet.

Forskerne fandt ud af, at antiferromagnetiske fluktuationer - når elektroner spinder i den modsatte retning - tegnede sig for størstedelen af ​​superledningsevnen. Men de så også ferromagnetiske udsving, der modvirkede de antiferromagnetiske udsving, hvilket i sidste ende bragte dem tilbage til 50 %-resultatet.

"Når du har et kompliceret mange-elektronsystem med mange kvantepartikler, er der ingen grund til, at der skulle være et simpelt billede, der forklarer alt," sagde Gull. "Faktisk finder vi overraskende, at et scenario som 1966-teorien fanger en hel del ting - men ikke alt."

Gull siger, at næste skridt vil være at se, om deres resultater kan hjælpe dem med at forudsige visse former for spektre eller det reflekterede lys, der er involveret i superledere. Han håber også, at resultaterne vil gøre det muligt for fysikere at forstå, hvordan superledere fungerer, og med denne viden at designe bedre superledere. + Udforsk yderligere

Undersøgelse identificerer mekanisme, der holder elektronpar sammen i ukonventionelle superledere