Ett internationellt team som leds av forskare från Institutionen för energis SLAC National Accelerator Laboratory och Stanford University har upptäckt nya funktioner i det elektroniska beteendet hos ett kopparoxidmaterial som kan hjälpa till att förklara varför det blir en perfekt elektrisk ledare - en superledare - vid relativt höga temperaturer .

Med hjälp av ett ultrahögupplöst röntgeninstrument i Frankrike, forskarna såg för första gången dynamiska beteenden i materialets laddningstäthetsvåg (CDW)-ett mönster av elektroner som liknar en stående våg-som ger stöd för tanken att dessa vågor kan spela en roll i högtemperatur supraledning.

Data tagna vid låga (20 kelvin) och höga (240 kelvin) temperaturer visade att när temperaturen ökade, CDW blev mer i linje med materialets atomstruktur. Anmärkningsvärt, vid lägre temperatur, CDW inducerade också en ovanlig ökning av intensiteten av oxidets atomiska gittervibrationer, vilket indikerar att det dynamiska CDW -beteendet kan sprida sig genom gallret.

"Tidigare forskning har visat att när CDW är statisk, det tävlar med och minskar supraledning, "sa medförfattaren Wei-Sheng Lee, en SLAC -personalvetare och utredare vid Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES), som ledde studien publicerad 12 juni i Naturfysik . "Om, å andra sidan, CDW är inte statisk utan fluktuerande, teorin berättar att de faktiskt kan hjälpa till att bilda supraledning. "

En decennier lång sökning efter en förklaring

Det nya resultatet är det senaste i en decennier lång sökning av forskare över hela världen efter de faktorer som gör att vissa material kan bli supraledande vid relativt höga temperaturer.

Sedan 1950 -talet har forskare har vetat hur vissa metaller och enkla legeringar blir supraledande när de kyls till några grader av absolut noll:Deras elektroner kopplar ihop och åker vågor av atomvibrationer som fungerar som ett virtuellt lim för att hålla ihop paren. Över en viss temperatur, dock, limmet misslyckas när termiska vibrationer ökar, elektronparen delas upp och supraledning försvinner.

1986, komplexa kopparoxidmaterial visade sig bli supraledande vid mycket högre - även om det fortfarande är ganska kalla - temperaturer. Denna upptäckt var så oväntad att den orsakade en världsomfattande vetenskaplig sensation. Genom att förstå och optimera hur dessa material fungerar, forskare hoppas kunna utveckla supraledare som arbetar vid rumstemperatur och högre.

I början, det mest troliga limet som håller superledande elektronpar ihop vid högre temperaturer tycktes vara starka magnetiska excitationer som skapas av interaktioner mellan elektronspinn. Men 2014, en teoretisk simulering och experiment som leds av SIMES-forskare drog slutsatsen att dessa högenergiska magnetiska interaktioner inte är den enda faktorn i kopparoxids högtemperatur supraledning. En oväntad CDW verkade också vara viktig.

De senaste resultaten fortsätter SIMES -samarbetet mellan experiment och teori. Bygga på tidigare teorier om hur elektroninteraktioner med gittervibrationer kan sonderas med resonant oelastisk röntgenspridning, eller RIXS, signaturen av CDW -dynamiken identifierades slutligen, ge ytterligare stöd för CDW:s roll för att bestämma den elektroniska strukturen i supraledande kopparoxider.

Det väsentliga nya verktyget:RIXS

De nya resultaten möjliggörs genom utvecklingen av mer kapabla instrument som använder RIXS. Nu tillgänglig med ultrahög upplösning vid European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) i Frankrike, där laget utförde detta experiment, RIXS kommer också att vara ett viktigt inslag i SLAC:s uppgraderade Linac Coherent Light Source X-ray free-electron laser, LCLS-II. Kombinationen av ultrahög energiupplösning och en hög pulsrepetitionsfrekvens vid LCLS-II gör det möjligt för forskare att se mer detaljerade CDW-svängningar och utföra experiment som syftar till att avslöja ytterligare detaljer om dess beteende och kopplingar till högtemperatur supraledning. Viktigast, forskare vid LCLS-II kommer att kunna använda ultrasnabba ljus-materia-interaktioner för att kontrollera CDW-fluktuationer och sedan ta femtosekund-tidsskaliga ögonblicksbilder av dem.

RIXS innebär att ett prov belyses med röntgenstrålar som har tillräckligt med energi för att excitera några elektroner djupt inuti målatomerna för att hoppa upp i en specifik högre bana. När elektronerna slappnar tillbaka till sina tidigare positioner, en liten bråkdel av dem avger röntgenstrålar som bär värdefull atomskalainformation om materialets elektroniska och magnetiska konfiguration som anses vara viktig för högtemperatur supraledning.

"Hittills, ingen annan teknik har sett tecken på spridning av CDW -dynamik, "Sa Lee.

RIXS demonstrerades första gången i mitten av 1970-talet, men den kunde inte få användbar information för att hantera viktiga problem förrän 2007, när Giacomo Ghiringhelli, Lucio Braicovich vid Milan Polytechnic i Italien och kollegor på Swiss Light Source gjorde en grundläggande förändring som förbättrade dess energiopplösning till en nivå där betydande detaljer blev synliga-tekniskt sett till cirka 120 milli-elektronvolts (meV) vid den relevanta röntgenvåglängden, som kallas en koppar L -kant. Det nya RIXS -instrumentet på ESRF är tre gånger bättre, rutinmässigt uppnå en energiopplösning ner till 40 meV. Sedan 2014 har Milano -gruppen har samarbetat med SLAC- och Stanford -forskare i deras RIXS -forskning.

"Den nya ultrahögupplösta RIXS gör en enorm skillnad, "Sade Lee." Det kan visa oss tidigare osynliga detaljer. "