Ett av experimentell fysiks största mysterier är hur så kallade högtemperatur superledande material fungerar. Trots deras namn, supraledare vid hög temperatur-material som bär elektrisk ström utan motstånd-arbetar vid kyliga temperaturer mindre än minus 135 grader Celsius. De kan användas för att göra tillräckligt kraftkablar, medicinsk MR, partikelacceleratorer, och andra enheter. Att knäcka mysteriet om hur dessa material faktiskt fungerar kan leda till supraledande enheter som fungerar vid rumstemperatur - och kan revolutionera elektriska enheter, inklusive bärbara datorer och telefoner.

I en ny tidning i tidningen Naturfysik , forskare på Caltech har äntligen löst en bit av detta bestående pussel. De har bekräftat att en övergångsfas av materia som kallas pseudogap - en som inträffar innan dessa material kyls ner för att bli supraledande - representerar ett distinkt tillstånd av materia, med egenskaper som skiljer sig mycket från de i det superledande tillståndet självt.

När materia övergår från ett tillstånd, eller fas, till en annan - säg vatten fryser till is - det finns en förändring i ordningsmönstret för materialets partiklar. Fysiker hade tidigare upptäckt tips om någon typ av ordning av elektroner inuti pseudogap -tillståndet. Men exakt hur de beställde - och om denna ordning utgjorde ett nytt tillstånd - var oklart tills nu.

"En speciell egenskap hos alla dessa högtemperatur supraledare är att precis innan de går in i supraledande tillstånd, de går alltid alltid in i pseudogap -tillståndet, vars ursprung är lika om inte mer mystiskt än det superledande tillståndet självt, "säger David Hsieh, professor i fysik vid Caltech och huvudutredare för den nya forskningen. "Vi har upptäckt att i pseudogap -tillståndet, elektroner bildar ett mycket ovanligt mönster som bryter nästan alla symmetrier i rymden. Detta ger en mycket övertygande ledtråd till pseudogap-tillståndets faktiska ursprung och kan leda till en ny förståelse för hur högtemperatur superledare fungerar. "

Fenomenet supraledning upptäcktes första gången 1911. När vissa material kyls till superkalla temperaturer, så låg som några grader över absolut noll (några grader Kelvin), de bär elektrisk ström utan motstånd, så att ingen värme eller energi går förlorad. I kontrast, våra bärbara datorer är inte tillverkade av supraledande material och upplever därför elektrisk motstånd och värmer upp.

Kylning av material till så extremt låga temperaturer kräver flytande helium. Dock, eftersom flytande helium är sällsynt och dyrt, fysiker har letat efter material som kan fungera som superledare vid allt högre temperaturer. De så kallade högtemperatur superledarna, upptäcktes 1986, är nu kända för att fungera vid temperaturer upp till 138 Kelvin (minus 135 grader Celsius) och kan därför kylas med flytande kväve, vilket är billigare än flytande helium. Frågan som har undvikit fysiker, dock-trots tre nobelpris hittills som delats ut inom superledningsförmåga-är det precis hur högtemperatur superledare fungerar.

Dansen av supraledande elektroner

Material blir supraledande när elektroner övervinner deras naturliga avstötning och bildar par. Denna parning kan ske under extremt kalla temperaturer, tillåter elektronerna, och de elektriska strömmar de bär, att flytta utan skuld. I konventionella supraledare, elektronparning orsakas av naturliga vibrationer i det superledande materialets kristallgitter, som fungerar som lim för att hålla ihop paren.

Men i högtemperatur superledare, denna form av "lim" är inte tillräckligt stark för att binda elektronparen. Forskare tror att pseudogapet, och hur elektroner ordnar sig själva i denna fas, har ledtrådar om vad detta lim kan utgöra för högtemperatur superledare. För att studera elektronordning i pseudogap, Hsieh och hans team har uppfunnit en ny laserbaserad metod som kallas olinjär optisk rotationsanisotropi. I metoden, en laser riktas mot det supraledande materialet; I detta fall, kristaller av yttrium barium kopparoxid (YBa2Cu3Oy). En analys av ljuset som reflekteras tillbaka vid halva våglängden jämfört med det som går in avslöjar någon symmetri i arrangemanget av elektronerna i kristallerna.

Trasiga symmetrier pekar på ny fas

Olika faser av materia har tydliga symmetrier. Till exempel, när vatten förvandlas till is, fysiker säger att symmetrin har "brutits".

"I vatten, "Förklarar Hsieh, "H2O -molekylerna är ganska slumpmässigt orienterade. Om du simmade i en oändlig pool av vatten, din omgivning ser likadan ut oavsett var du befinner dig. I is, å andra sidan, H2O -molekylerna bildar ett regelbundet periodiskt nätverk, så om du föreställer dig själv nedsänkt i ett oändligt block av is, din omgivning verkar olika beroende på om du sitter på en H- eller O -atom. Därför, vi säger att rymdens translationella symmetri bryts när vi går från vatten till is. "

Med det nya verktyget, Hsiehs team kunde visa att elektronerna som svalnade till pseudogapfasen bröt en specifik uppsättning rumsliga symmetrier som kallades inversion och rotationssymmetri. "Så snart systemet kom in i pseudogapregionen, antingen som en funktion av temperaturen eller mängden syre i föreningen, det var en förlust av inversion och rotationssymmetrier, tydligt anger en övergång till en ny fas av materia, "säger Liuyan Zhao, en postdoktor i Hsieh -labbet och huvudförfattare till den nya studien. "Det är spännande att vi använder en ny teknik för att lösa ett gammalt problem."

"Upptäckten av trasig inversion och rotationssymmetrier i pseudogapan minskar drastiskt uppsättningen möjligheter för hur elektronerna är självorganiserande i denna fas, "säger Hsieh." På vissa sätt, denna ovanliga fas kan visa sig vara den mest intressanta aspekten av dessa supraledande material. "

Med en pusselbit löst, forskarna går vidare till nästa. De vill veta vilken roll denna ordning av elektroner i pseudogapet spelar för att framkalla supraledning vid hög temperatur-och hur man får det att hända vid ännu högre temperaturer.