Högtemperatur supraledning erbjuder perfekt transport av elektricitet, men det gör det till priset av extrem kyla och en ständigt svårfångad mekanism. Om det förstås, forskare kan pressa supraledning till varmare temperaturer och radikalt förbättra elnät, hemelektronik, och mer - men pusslet har kvarstått i mer än 30 år.

Nu, forskare har brutit ny mark genom att närma sig från en kontraintuitiv vinkel:sondera så kallade "dåliga metaller" som leder el dåligt. Forskarna fann att "ränder" av elektronisk laddning, som kan spela en nyckelroll i supraledning, kvarstår över förvånansvärt höga temperaturer, form konduktivitet, och har riktningsberoende egenskaper.

Resultaten, som undersökte modellsystemet för specialodlade nickeloxidmaterial, publicerades online 28 april i tidningen Fysiska granskningsbrev .

"Detta är ett steg på vägen för att lösa mekanismen för högtemperatur supraledning och laddningsstrimlarnas komplexa roll, "sa Ruidan Zhong, huvudförfattare till studien och en doktorand vid Stony Brook University. "Vi tog ögonblicksbilder av dynamiska ränder som fluktuerade i en flytande fas, där de har frihet att anpassa sig och intermittent tillåta flödet av elektricitet. "

Samarbetet använde Spallation Neutron Source vid US Department of Energy's (DOE) Oak Ridge National Laboratory för att mäta ränderna.

"Vi har studerat randbeställning i två decennier, och Oak Ridge -instrumenten är perfekta för att utforska nytt territorium, "sa medförfattaren John Tranquada, en fysiker vid DOE:s Brookhaven National Laboratory. "Signalen vi letade efter var mycket svag, och begravdes i en djungel av mycket starkare signaler - men vi hittade det. "

Bombarderar lite alkemi

I decennier har forskare kunnat ta vissa kopparoxid (kuprat) isolatorer-vilket innebär att de inte leder elektricitet-och ersätta atomer för att justera elektroninnehållet och sedan framkalla supraledning vid kalla temperaturer. Även om ränder sannolikt spelar en viktig roll, deras närvaro och beteende över temperaturer är särskilt svårt att spåra.

"I cuprate superledare, vi har lärt oss hur man upptäcker laddningsränder när de fästs på atomgitteret, men när de börjar röra sig, vi tappar dem ur sikte, "Sa Tranquada." Så, istället för en supraledande förening av lantan, strontium, koppar, och syre, vi gjorde lite alkemi för att ersätta kopparen med nickel. "

I en elegant process som leds av studiemedförfattare och Brookhaven -forskaren Genda Gu, nickeloxid-eller nickelat-kristaller odlades från en vätskefas utan användning av någon behållare. Eftersom de erbjöd en liknande struktur som cuprates, men med starkare randbeställning, de svårfångade laddningsränderna skulle vara lättare att upptäcka, förutsatt att rätt verktyg kunde hittas för att titta inuti.

Teamet vände sig till time-of-flight Hybrid Spectrometer (HYSPEC) vid Oak Ridge Labs Spallation Neutron Source, en DOE Office of Science User Facility. Instrumentet - produkten av ett förslag som först utvecklades vid Brookhaven - bombarderade nickelatprovet med en stråle neutroner som sedan sprider av atomstrukturen. Genom att mäta den tid det tar för de spridda neutronerna att nå detektorer, forskarna drog fram energin som förlorats eller erhållits - detta i sin tur avslöjade närvaron eller frånvaron av ränderna.

Skolor av elektronisk fisk

Resultaten av neutronspridning, som kräver intensiv datorbehandling, gav bevis på en så kallad nematisk fas i nickelatet.

"Elektroniska nematiska faser drivs av elektronkorrelationer som bryter rotationssymmetrin i materialets kristallgitter, "Sade Zhong." I nickelatet, dessa vågliknande, korrelerade ränder rör sig genom materialet och påverkar direkt konduktiviteten. "

Som Tranquada förklarade, detta kan visualiseras som långa skolor, smala fiskar som simmar genom någon nedsänkt struktur.

"De rör sig tätt, mycket samordnad, och svårfångade förpackningar, "Tranquada sa." Att simma med dessa fiskar i parallell riktning kan vara ganska smidigt, men att simma mot den samordnade gruppen i vinkelrät riktning är utmanande. Det här är lite som hur strömmen färdas genom vårt nickelat och interagerar med laddningsvågorna. "

Det exakta sätt på vilket dessa ihållande och nyfikna laddningsränder påverkar konduktiviteten i nickelaterna - och ännu viktigare i de analoga supraledande kopparna - är fortfarande oklart.

"Vi hoppas att detta arbete erbjuder nya möjligheter för teori och experiment att utforska supraledning vid hög temperatur, "Sade Zhong." När vi fortsätter att kartlägga dessa material, mekanismen kommer så småningom att ta slut på platser att gömma sig. "