Högtemperatur supraledning är ett av fysikens stora mysterier. Milan Allans forskargrupp använde ett Josephson Scanning Tunneling Microscope för att avbilda rumsliga variationer av supraledande partiklar för första gången, och publicerade om det i tidningen Natur .

"Ett av mysterierna med högtemperatur supraledare är möjligheten att vara inhomogen. Detta innebär att densiteten hos Cooper -paren som orsakar supraledning förändras över rymden, "säger fysikern Milan Allan från LION, 'vi bevisade det, verkligen, mycket inhomogena superledare finns, genom att avbilda dem för första gången. "

Upptäckten gav Doohee Cho, Koen Bastiaans, Damianos Chatzopoulos och Allan a Nature -papper, och kan hjälpa till att förklara den mystiska supraledningen vid hög temperatur.

Konventionell supraledning, där ett material leder en elektrisk ström utan något mätbart motstånd, upptäcktes 1911. Leidens fysiker Heike Kamerlingh Onnes märkte att kvicksilverets elektriska motstånd försvann vid en temperatur av 4,2 grader över absolut noll.

Segelbåtar

Det var konstigt och oväntat, för normalt, elektroner som flyter genom en metall, kommer att stöta på atomer eller oegentligheter i kristallstrukturen, som leder till elektrisk motstånd.

Först 1957, fenomenet förklarades av fysikerna Bardeen, Cooper och Schrieffer. De visade hur elektroner som flödar genom en kristall kan känna varandra på avstånd, via vibrationer i kristallgitteret, leder dem till par och bildar så kallade Cooper -par.

Annat än elektroner, Cooper -par kan gå samman och bilda ett stort kollektiv, rör sig genom kristallen. Detta kollektiv är mycket större än enskilda atomer eller defekter, och det kommer inte att känna dem. Det är lite som den gigantiska vågen som obehindrat flyter genom ett fält av segelbåtar, där små vågor kommer att stoppas av enskilda båtar.

Superledare vid hög temperatur

Oväntat, 1986 upptäckte de schweiziska fysikerna Bednorz och Müller en klass av material superledande vid ovanligt ”varma” temperaturer upp till 90 grader över den absoluta nollan. Varm nog att tala om hög temperatur supraledning. "

Detta lovar en mängd applikationer inom teknik, allt från praktiskt taget förlustfria kraftledningar till svävande tåg, om den kritiska temperaturen kan öka till rumstemperatur.

"Men löftet uppfylldes inte, "säger Allan. Vissa applikationer slår långsamt ut på marknaden, men den kritiska temperaturen stannade, kanske för att den idag teoretiska fysiker förstår inte helt okonventionell supraledning, trots decennier av experiment och teoretisering.

Vad har varit känt, är att Cooper -par i dessa superledare är mycket mindre och glesare jämfört med konventionella superledare.

Josephson mikroskop

"Det har pratats om denna inhomogenitet i åratal, "säger Allan. För att äntligen visualisera det, Allans grupp använde en speciell typ av scanningstunnelmikroskop (STM), som avbildar ett prov genom att flytta en liten nålspets ovanför ytan. Medan nålen skannar ytan, de lokala egenskaperna mäts, ger en bild med atomupplösning.

Den specifika typen av STM kallas en Josephson-STM, där spetsen är täckt med supraledande bly. Den använder Josephson -effekten:två supraledande strömmar kan korsa ett litet oledande gap, i detta fall gapet mellan spetsen och provet. Genom att noggrant mäta denna Josephson -ström, Cooper -parens täthet kan mätas. Med andra mikroskop, den kan samtidigt kartlägga Cooper -parens sammanhang, ett mått på deras stabilitet.

Klumpiga Cooper -par

Bilderna, var och en tar cirka tre dagars skanning, visade att koherensen och densiteten var mycket inhomogen.

För att utesluta möjligheten att detta orsakas av inhomogeniteter i själva kristallen, fysikerna avbildade också atomerna, men detta gav ett helt annat mönster. "Detta visar att inhomogeniteten inte bara är en följd av kristallgitteret utan istället, det är en egenskap hos Cooper -paren själva, säger Allan.

Josephson STM hade byggts och använts tidigare, men inte på upplösningen och tillförlitligheten som gav dessa bilder. "Det är en summa av många individuella tekniska förbättringar, som tillät oss att göra detta. Och också plocka rätt prov. "Den noggrant utvalda järn telluridseleniden (FeTeSe) är en högtemperatur superledare, men en relativt enkel

Ett nytt objektiv

Resultaten kan ytterligare hjälpa teoretiker, såsom LION -fysikerna Jan Zaanen och Koenraad Schalm, Lös mysteriet. Med sitt mikroskop, Allan hoppas kunna undersöka annat material mycket snart. "Det är som ett nytt objektiv, en ny typ av teleskop. Till sist, vi kan titta på en nyckelegenskap för supraledning som tidigare inte kunde ses. "