Forskare som studerar högtemperatursupraledare - material som bär elektrisk ström utan energiförlust när de kyls under en viss temperatur - har letat efter sätt att i detalj studera elektroninteraktionerna som man tror driver denna lovande egenskap. En stor utmaning är att reda ut de många olika typerna av interaktioner, t.ex. separera effekterna av elektroner som interagerar med varandra från de som orsakas av deras interaktion med materialets atomer.

Nu har en grupp forskare inklusive fysiker vid det amerikanska energidepartementets Brookhaven National Laboratory demonstrerat en ny laserdriven "stop-action"-teknik för att studera komplexa elektroninteraktioner under dynamiska förhållanden. Som beskrivs i en tidning som just publicerats i Naturkommunikation , de använder en väldigt snabbt, intensiv "pump" laser för att ge elektroner en explosion av energi, och en andra "prob"-laser för att mäta elektronernas energinivå och rörelseriktning när de slappnar av tillbaka till sitt normala tillstånd.

"Genom att variera tiden mellan "pump" och "prob" laserpulser kan vi bygga upp en stroboskopisk registrering av vad som händer - en film om hur detta material ser ut från vila genom den våldsamma interaktionen till hur det sätter sig tillbaka, " sa Brookhaven fysiker Jonathan Rameau, en av huvudförfattarna på tidningen. "Det är som att tappa en bowlingklot i en hink med vatten för att orsaka en stor störning, och sedan ta bilder vid olika tidpunkter efteråt, " han förklarade.

Tekniken, känd som tidsupplöst, vinkelupplöst fotoelektronspektroskopi (tr-ARPES), kombinerat med komplexa teoretiska simuleringar och analys, lät teamet reta ut sekvensen och energi-"signaturerna" för olika typer av elektroninteraktioner. De kunde plocka ut distinkta signaler om interaktioner mellan exciterade elektroner (som händer snabbt men inte försvinner mycket energi), samt slumpmässiga interaktioner i senare skede mellan elektroner och atomerna som utgör kristallgittret (som genererar friktion och leder till gradvis energiförlust i form av värme).

Men de upptäckte också en annan, oväntad signal - som de säger representerar en distinkt form av extremt effektiv energiförlust på en viss energinivå och tidsskala mellan de andra två.

"Vi ser en mycket stark och märklig interaktion mellan de exciterade elektronerna och gittret där elektronerna förlorar det mesta av sin energi mycket snabbt i en koherent, icke slumpmässigt sätt, " sa Rameau. På denna speciella energinivå, han förklarade, elektronerna verkar interagera med gitteratomer som alla vibrerar med en viss frekvens, som en stämgaffel som avger en enda ton. När alla elektroner som har den energi som krävs för denna unika interaktion har gett upp det mesta av sin energi, de börjar svalna långsammare genom att träffa atomer mer slumpmässigt utan att träffa den "resonans" frekvensen, han sa.

Frekvensen av den speciella gitterinteraktionen "not" är särskilt anmärkningsvärd, forskarna säger, eftersom dess energinivå motsvarar en "böjning" i energisignaturen för samma material i dess supraledande tillstånd, som först identifierades av Brookhaven-forskare med hjälp av en statisk form av ARPES. Efter den upptäckten, många forskare föreslog att knäcket kan ha något att göra med materialets förmåga att bli en supraledare, eftersom det inte lätt observeras över den supraledande temperaturen.

Men de nya tidsupplösta experimenten, som gjordes på materialet långt över dess supraledande temperatur, kunde reta ut den subtila signalen. Dessa nya rön tyder på att detta speciella tillstånd existerar även när materialet inte är en supraledare.

"Vi vet nu att denna interaktion inte bara slås på när materialet blir en supraledare; det finns faktiskt alltid där, sa Rameau.

Forskarna tror fortfarande att det är något speciellt med energinivån i den unika stämgaffelliknande interaktionen. Andra spännande fenomen har observerats på samma energinivå, vilket Rameau säger har studerats i plågsamma detaljer.

Det är möjligt, han säger, att en-nots gitterinteraktionen spelar en roll i supraledning, men det krävs någon ytterligare faktor som fortfarande återstår att fastställa för att slå på supraledningsförmågan.

"Det är helt klart något speciellt med den här anteckningen, sa Rameau.