Fysiker vid Rice University's Center for Quantum Materials (RCQM) har skapat ett nytt järnbaserat material som ger ledtrådar om det mikroskopiska ursprunget till högtemperatur supraledning.

Materialet, en formulering av järn, natrium, koppar och arsenik skapad av Rice doktorand Yu Song i laboratoriet för fysikern Pengcheng Dai, beskrivs i veckan i tidningen Naturkommunikation .

Dai sa Songs recept - som innebär blandning av ingredienser i en ren argonatmosfär, försegla dem i niobiumbehållare och baka dem vid nästan 1, 000 grader Celsius - producerar en skiktad legering där järn och koppar separeras i alternerande ränder. Denna randning är kritisk för materialets användbarhet för att förklara ursprunget till högtemperatur supraledning, sa RCQM -direktören Qimiao Si.

"Genom att bilda detta vanliga mönster, Yu Song har fysiskt tagit bort störningar från systemet, och det är avgörande för att kunna säga något meningsfullt om vad som händer elektroniskt, "sa Si, en teoretisk fysiker som har arbetat med att förklara ursprunget till supraledning vid hög temperatur och liknande fenomen i nästan två decennier.

Högtemperatur supraledning upptäcktes 1986. Det uppstår när elektroner kopplas ihop och flödar fritt i skiktade legeringar som Songs nya skapelse. Dussintals högtemperaturledande legeringar har skapats. De flesta är komplexa kristaller som innehåller en övergångsmetall - vanligtvis järn eller koppar - och andra element. Högtemperatur superledare är vanligtvis fruktansvärda ledare vid rumstemperatur och blir bara superledare när de kyls till en kritisk temperatur.

"Det centrala problemet med högtemperatur supraledning är att förstå det exakta förhållandet mellan dessa två grundläggande tillstånd av materia och fasövergången mellan dem, "sa Dai, professor i fysik och astronomi vid Rice. "Den makroskopiska förändringen är uppenbar, men beteendets mikroskopiska ursprung är öppet för tolkning, till stor del för att det finns många variabler i spelet, och förhållandet mellan dem är både synergistiskt och olinjärt. "

Dai sa att två tankeskolor "utvecklades från början av detta område. Den ena var det kringgående lägret, som hävdar att båda tillstånden slutligen kommer från kringgående elektroner. Trots allt, dessa material är metaller, även om de kan vara dåliga metaller. "

Det andra lägret är det lokaliserade lägret, som hävdar att grundläggande ny fysik uppstår-på grund av elektron-elektroninteraktioner-vid den kritiska punkt vid vilken materialen övergår från en fas till den andra.

Dai sa att mätningar på Songs nya material stöder den lokaliserade teorin. Särskilt, det nya materialet är den första medlemmen i en klass av järnbaserade superledare som kallas pnictides (uttalas NIK-tidvatten) som kan ställas in mellan två konkurrerande faser:den superledande fasen där elektroner flyter utan motstånd, och en "Mottisolerande" fas där elektroner låses på plats och inte flödar alls.

"Upptäckten som Yu Song gjorde är att detta material är mer korrelerat, vilket är uppenbart på grund av Mott -isoleringsfasen, "Sa Dai." Det här är första gången någon har rapporterat en järnbaserad superledare som kontinuerligt kan ställas in från supraledningsfasen till Mott-isoleringsfasen. "

Prover gjordes och några tester utfördes vid RCQM. Ytterligare tester utfördes på Chalk River Laboratories kanadensiska Neutron Beam Center i Ontario, National Institute for Standards and Technology's Center for Neutron Research i Maryland, Brookhaven National Laboratory i New York, Oak Ridge National Laboratory's High Flux Isotope Reactor i Tennessee och Paul Scherrer Institute's Advanced Resonant Spectroscopies beamline i Schweiz.

"I tidningen, vi visade att om interaktionen var svag, då är det fortfarande inte tillräckligt att ersätta 50 procent av järnet med koppar för att producera isoleringstillståndet, "Si sa." Det faktum att våra experter har lyckats göra systemet att vara Mott-isolerande ger därför direkt bevis för starka elektron-elektron-interaktioner i järnpniktider. Det är ett viktigt steg framåt eftersom det föreslår att supraledning bör knytas till dessa starka elektronkorrelationer. "