Det finns en bokstavlig störning i kraften som förändrar vad fysiker länge har tänkt på som en egenskap hos supraledning, enligt forskare från Rice University.

Risfysikerna Pengcheng Dai och Andriy Nevidomskyy och deras kollegor använde simuleringar och neutronspridningsexperiment som visar materialets atomstruktur för att avslöja små snedvridningar av kristallgitteret i en så kallad järnpiktidförening av natrium, järn, nickel och arsenik.

Dessa lokala snedvridningar observerades bland den annars symmetriska atomorden i materialet vid ultrakalliga temperaturer nära punkten för optimal supraledning. De indikerar att forskare kan ha lite vrickrum när de arbetar för att öka temperaturen vid vilken järnpniktider blir supraledare.

Upptäckten rapporterades i veckan Naturkommunikation är resultatet av nästan två års arbete av Rice -teamet och samarbetspartners i USA, Tyskland och Kina.

Dai och Nevidomskyy, båda medlemmarna i Rice Center for Quantum Materials (RCQM), är intresserade av de grundläggande processer som ger upphov till nya kollektiva fenomen som supraledning, vilket gör att material kan överföra elektrisk ström utan motstånd.

Forskare fann ursprungligen supraledning vid ultrakalliga temperaturer som låter atomer samarbeta på sätt som inte är möjliga vid rumstemperatur. Även kända "högtemperatur" superledare toppar vid 134 Kelvin vid omgivningstryck, motsvarande minus 218 grader Fahrenheit.

Så om det finns något hopp om utbredd praktisk användning av supraledning, forskare måste hitta kryphål i den grundläggande fysiken för hur atomer och deras beståndsdelar beter sig under olika förhållanden.

Det är vad risforskarna har gjort med järnpniktiden, en "okonventionell supraledare" av natrium, järn och arsenik, särskilt när det dopas med nickel.

För att göra material supraledande, det måste svalna. Det skickar det genom tre övergångar:För det första, en strukturell fasövergång som förändrar gitteret; andra, en magnetisk övergång som tycks vända paramagnetiska material till antiferromagneter där atomerna snurrar i linje i alternativa riktningar; och för det tredje, övergången till supraledning. Ibland är den första och andra fasen nästan samtidigt, beroende på material.

I de flesta okonventionella supraledare, varje steg är kritiskt för nästa eftersom elektroner i systemet börjar binda ihop i Cooper -par, når toppkorrelation vid en kvantkritisk punkt, den punkt där magnetisk ordning undertrycks och supraledning uppträder.

Men i pnictide superledaren, forskarna fann att den första övergången är lite suddig, som några av gitterna tog en egenskap som kallas en nematisk fas. Nematic är hämtat från det grekiska ordet för "trådliknande" och liknar fysiken för flytande kristaller som anpassar sig som reaktion på en yttre kraft.

Nyckeln till materialets supraledning tycks ligga inom en subtil egenskap som är unik för järnpniktider:en strukturell övergång i sitt kristallgitter, det ordnade arrangemanget av dess atomer, från tetragonal till ortorhombisk. I en tetragonal kristall, atomerna är ordnade som kuber som har sträckts i en riktning. En ortorhombisk struktur är formad som en tegelsten.

Natrium-järn-arsenik-pnictidkristaller är kända för att vara tetragonala tills de svalnat till en övergångstemperatur som tvingar gallret att bli ortorombiskt, ett steg mot supraledning som uppträder vid lägre temperaturer. Men risforskarna blev förvånade över att se avvikande ortorhombiska regioner långt över den strukturella övergångstemperaturen. Detta inträffade i prover som var minimalt dopade med nickel och kvarstod när materialen var överdopade, rapporterade de.

"I den tetragonala fasen, gitterets (kvadrat) A- och B -riktning är absolut lika, "sa Dai, som utförde neutronspridningsförsök för att karakterisera materialet vid Oak Ridge National Laboratory, National Institute of Standards and Technology Center for Neutron Research och Research Neutron Source vid Heinz Maier-Leibnitz Center.

"När du svalnar det, det blir till en början ortorombiskt, vilket betyder att gallret spontant kollapsar i en axel, och ändå finns det ingen magnetisk ordning. Vi fann att genom att mycket exakt mäta denna gitterparameter och dess temperaturberoende distorsion, vi kunde berätta hur gallret förändras som en funktion av temperaturen i den paramagnetiska tetragonala regimen. "

De blev förvånade över att se fickor av en supraledande nematisk fas som snedställer gallret mot ortorhombisk form även ovanför den första övergången.

"Hela papperet föreslår att det finns lokala snedvridningar som uppträder vid en temperatur vid vilken systemet, i princip, ska vara tetragonal, "Sa Dai." Dessa lokala snedvridningar förändras inte bara som en funktion av temperaturen utan "vet" faktiskt om supraledning. Sedan, deras temperaturberoende förändras vid optimal supraledning, vilket tyder på att systemet har en nematisk kvantkritisk punkt, när lokala nematiska faser undertrycks.

"I grund och botten, det säger dig att denna nematiska ordning konkurrerar med själva superledningen, "sa han." Men då tyder det på att nematiska fluktuationer också kan hjälpa supraledning, eftersom det ändrar temperaturberoende kring optimal dopning. "

Att kunna manipulera den punkten med optimal dopning kan ge forskare bättre förmåga att designa material med nya och förutsägbara egenskaper.

"De elektroniska nematiska fluktuationerna växer sig mycket stora i närheten av den kvantkritiska punkten, och de fastnar av lokala kristallbrister och föroreningar, manifesterar sig i de lokala snedvridningar som vi mäter, "sade Nevidomskyy, som ledde den teoretiska sidan av utredningen. "Den mest intressanta aspekten är att supraledning är starkast när detta händer, tyder på att dessa nematiska fluktuationer är avgörande för dess bildning. "