Undersøgelse identificerer mekanisme, der holder elektronpar sammen i ukonventionelle superledere

Alt efter hvilket perspektiv man vælger, kan en teoretisk beregning beskrive observeret fysik mere eller mindre præcist. Tilbage i 2015 udviklede Alessandro Toschi fra Institute of Solid State Physics på TU Wien og hans team i et internationalt samarbejde en teoretisk metode, der kan bruges til at bestemme den bedste måde at se på uløste spørgsmål i faststoffysik.

Siden da har forskerholdet videreudviklet denne diagnostiske metode og for nylig anvendt den på ukonventionelle superledere sammen med forskere fra University of Michigan i Ann Arbor og Max Planck Institute for Solid State Research i Stuttgart. Forskerne har for nylig offentliggjort deres resultater i det videnskabelige tidsskrift Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS ).

Ideen bag denne metode kan bedst illustreres ved hjælp af en analogi:I klassisk mekanik er der flere måder at beskrive himmellegemers bevægelse på. Betragter vi for eksempel Jorden som solsystemets centrum, bliver beskrivelsen hurtigt forvirrende og kompliceret. Men hvis vi placerer solen i midten af ​​modellen, bliver den teoretiske beskrivelse meget mere elegant og meningsfuld.

Situationen er den samme med de forskellige konkurrerende mekanismer, der driver fysikken i ukonventionelle superledere. Deres elektriske modstand - ligesom med konventionelle superledere - falder brat til nul under et bestemt temperaturniveau, hvilket gør det muligt at lede og lagre elektricitet uden tab. For at realisere denne særlige tilstand skal det faste stofs elektroner binde sig i par, trods gensidig frastødning. Dette rent kvantefysiske fænomen kan udløses af forskellige mekanismer. Mens i konventionelle superledere spiller interaktionen mellem elektronerne og de atomare vibrationer en central rolle, er denne effekt normalt ubetydelig i ukonventionelle superledere. Her er den frastødende vekselvirkning mellem elektronerne af større betydning.

Teori og praksis

I lang tid var det imidlertid omstridt, med hvilken mikroskopisk mekanisme denne frastødning mellem elektronerne overvindes, og derved kan der dannes par – den såkaldte "parringslim", som Alessandro Toschi forklarer. Spørgsmålet er især, hvilken form for udsving (f.eks. spin eller ladning) der holder elektronparrene sammen i ukonventionelle superledere. "Kollegerne fra University of Michigan ønskede derfor at analysere deres resultater til en beregning beregnet til cuprat-klassen af ​​materialer ved hjælp af vores diagnostiske metode," rapporterer Toschi. Disse ukonventionelle superledere, hvis krystalstruktur indeholder kobberanioner, blev opdaget så tidligt som i 1986 og har undret fysikken lige siden.

Det centrale spørgsmål, forskerne ønskede at besvare, er, i hvilken formulering den ukonventionelle superlednings fysik er mest gennemsigtig. Dette svarer til at identificere, hvilke fluktuationer der er ansvarlige for elektronparbindingen. "Vi var endelig i stand til at vise, at de (antiferromagnetiske) spin-svingninger er dem, der ligger bag fysikken i ukonventionelle superledere. Hvis man på den anden side ændrer perspektivet og fokuserer på ladningsudsvingene, får man en sløret, og i det væsentlige ubrugelig repræsentation. af den underliggende fysik," siger Alessandro Toschi. For at blive ved solsystemanalogien svarer spin-udsvingene således til det referencesystem, hvor solen er placeret i centrum.

Mens kun cuprater blev undersøgt i denne undersøgelse, kan disse resultater højst sandsynligt også overføres til materialeklassen nikkelater, der ligesom cuprater tilhører klassen af ​​ukonventionelle superledere.

Mysteriet er løst

Med dette resultat bidrager forskerholdet ikke kun til en bedre forståelse af mekanismen for ukonventionelle superledere. Erkendelsen af, at spin-udsving er den afgørende faktor, gør det også muligt at forenkle fremtidige teoretiske beregninger og dermed give mulighed for mere præcise forudsigelser. "Tidligere var vores metode kun et teoretisk værktøj. Ved at skabe den praktiske sammenhæng er metoden fremstået som en af ​​de vigtigste anvendelser for et problem, som det videnskabelige samfund har forsøgt at løse i næsten 40 år," opsummerer Alessandro Toschi. . "Vores diagnostiske værktøj giver entydige svar på tidligere åbne spørgsmål."

Men samfundet kan også drage fordel af de grundlæggende fund - set fra et perspektiv. Hvis superledere i fremtiden kan bruges ved højere temperaturer og normalt tryk, kan de bidrage til at løse problemet med energilagring, som er en begrænsende faktor i brugen af ​​vedvarende energi. + Udforsk yderligere

Atomisk skala vindue til superledning baner vejen for nye kvantematerialer