Forståelse af superledning ved rumtemperatur

Rumtemperatur-superledere kunne transformere alt fra elektriske net til partikelacceleratorer til computere, men forskere forsøger stadig at forstå, hvordan disse materialer fungerer på atomniveau.

For nylig var NC State fysiker Lex Kemper medlem af et internationalt hold, der udgav en artikel i Science på de unikke egenskaber af et materiale kaldet yttrium barium kobberoxid eller YBCO.

Holdet fandt ud af, at YBCOs superledningsevne er sammenflettet på uventede måder med et andet fænomen kendt som ladningsdensitetsbølger (CDW'er), eller krusninger i tætheden af ​​elektroner i materialet. Disse CDW'er bliver stærkere, når YBCO's superledning slås fra. De var imidlertid overraskede over at opdage, at CDW'erne også pludselig blev mere rumligt organiserede, hvilket tyder på, at superledning på en eller anden måde grundlæggende former formen af ​​CDW'erne på nanoskala.

Så hvad betyder det? The Abstract bad Kemper om at dele sin indsigt.

TA:Søgningen efter superledere ved stuetemperatur kan transformere mange industrier. I dette papir så du på sammenhængen mellem superledningsevne og ladningstæthedsbølger i et materiale kaldet YBCO. Lad os starte med nogle grundlæggende definitioner – hvad giver en materiel superledning?

Kemper:Det er et rigtig godt spørgsmål. Vi ved fra BCS-teorien, at superledning kan ske, fordi to elektroner indirekte kan interagere via gittervibrationer, en slags kraft. De danner et bundet par kaldet et Cooper-par, og når alle de relevante elektroner i materialet gør det, får man en tilstand kaldet superledning. Nu er denne teori ikke direkte anvendelig for YBCO - og dette har ansporet flere årtiers forskning til at finde ud af, hvad der foregår i disse materialer. I øjeblikket tror vi, at bindingskraften tilvejebringes af magnetiske udsving i materialet snarere end gittervibrationer.

TA:Hvad er en ladningstæthedsbølge?

Kemper:Forestil dig, at du har en række mennesker, der alle er lige fordelt - det er din startstruktur. Lad nu hvert sæt af to personer parre sig og stå lidt tættere sammen – det er den nemmeste måde at se en ladningstæthedsbølge. I bund og grund er det et ekstra mønster oven i det, der allerede eksisterede. I YBCO tror vi, at denne yderligere mønsterdannelse opstår på grund af elektronerne, der virker alene, snarere end at atomerne er involveret.

TA:Da du brugte laserimpulser til at 'slukke' for superledningsevnen i YBCO, bemærkede du, at ladningstæthedsbølgerne blev både stærkere og mere organiserede, hvilket betyder, at superlednings- og ladningstæthedsbølger på en eller anden måde er forbundet på nanoskalaen. Hvad betyder det?

Kemper:Hvad denne undersøgelse viste, er ikke så meget en vej frem til at finde eller skabe højtemperatur superledere; snarere er det et skridt i forståelsen af ​​den grundlæggende fysik, der er i spil. Vi fandt ud af, at undertrykkelse af superledning får ladningstæthedsbølgerne til at holde deres mønster over meget længere længdeskalaer - hvilket indikerer, at de konkurrerer, men på en struktureret måde i nanoskala. Dette kaster nyt lys over problemet med sameksisterende/sammenflettet orden, vi ser i disse materialer.

TA:Hvorfor betragtes denne sammenflettede orden som et 'problem' eller noget, som vi skal studere nærmere? Forstår vi simpelthen ikke hvorfor/hvordan det opstår? Forstyrrer det vores evne til at udnytte visse egenskaber ved materialet?

Kemper:Kort sagt, vi har ikke en solid forståelse af, hvorfor dette materiale superleder, hvorfor det udviser ladningstæthedsbølger, endsige kombinationen af ​​disse to! En god måde at forstå noget i fysik på er at forstyrre det lidt og se, hvordan det reagerer (sådan fungerer næsten alle eksperimenter, og også hvordan en masse materialers egenskaber opstår). I dette tilfælde forstyrrede vi med en ultrahurtig laserpuls og observerede den resulterende dynamik - som fortalte os noget nyt, som vi ikke vidste før. I dette tilfælde afslørede det eksistensen af ​​en slags nanoskalamønster, og det udelukkede adskillige andre (nanoskala eller ej) mønstermuligheder.

TA:Hvad er de næste trin med dette arbejde?

Kemper:De næste trin er at forfine eksperimentet og teorien, og at forsøge at komme med nye måder at se på dette problem. Mere generelt håber vi, at feltet inkorporerer dette arbejde i, hvordan de tænker om den grundlæggende fysik af ladningstæthedsbølger og superledning i disse materialer.

TA:Tror du, vi når til brugbare superledere ved stuetemperatur i den nærmeste fremtid?

Kemper:Det er et rigtig godt spørgsmål. Det håber jeg. Hvad jeg forventer er, at hvis det sker, vil det komme fra et uventet hjørne af det enorme hav af muligheder, som vi ikke har udforsket endnu. + Udforsk yderligere

Samarbejde afslører samspil mellem ladningsrækkefølge og superledning på nanoskala