Forskare vid Institutionen för energis SLAC National Accelerator Laboratory och Stanford University har gjort de första direktmätningarna, och i särklass de mest exakta, om hur elektroner rör sig i synkronisering med atomvibrationer som porlar genom ett exotiskt material, som om de dansade i samma takt.

Vibrationerna kallas fononer, och elektron-fononkopplingen som forskarna mätte var 10 gånger starkare än teorin hade förutsett-vilket gjorde den tillräckligt stark för att potentiellt spela en roll i okonventionell supraledning, vilket gör att material kan leda elektricitet utan förlust vid oväntat höga temperaturer.

Vad mer, tillvägagångssättet de utvecklat ger forskare ett helt nytt och direkt sätt att studera ett brett spektrum av "framväxande" material vars överraskande egenskaper härrör från de grundläggande partiklarnas kollektiva beteende, som elektroner. Den nya metoden undersöker dessa material endast genom experiment, snarare än att förlita sig på antaganden baserade på teori.

Experimenten utfördes med SLAC:s Linac Coherent Light Source (LCLS) röntgenfri elektronlaser och med en teknik som kallas vinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi (ARPES) på Stanford campus. Forskarna beskrev studien idag i Science.

Ett genombrottssätt

"Jag tror att detta resultat kommer att ha flera effekter, "sa Giulia Galli, en professor vid University of Chicago Institute for Molecular Engineering och seniorvetare vid DOE:s Argonne National Laboratory som inte var inblandad i studien.

"Naturligtvis har de tillämpat metoden på ett mycket viktigt material, en som alla har försökt ta reda på och förstå, och det här är bra, "sa hon." Men det faktum att de visar att de kan mäta elektron-fonon-interaktionen, som är så viktigt i så många material och fysiska processer - detta, Jag tror, är ett genombrott som kommer att bana väg för många andra experiment på många andra material. "

Möjligheten att göra denna mätning, tillade hon, kommer att tillåta forskare att validera teorier och beräkningar som beskriver och förutsäger fysiken hos dessa material på ett sätt som de aldrig kunde göra tidigare.

"Dessa precisionsmätningar ger oss djup inblick i hur dessa material beter sig, "sa Zhi-Xun Shen, en professor vid SLAC och Stanford och utredare vid Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) som ledde studien.

Ovanligt exakta "filmer"

Teamet använde SLAC:s LCLS för att mäta atomvibrationer och ARPES för att mäta elektronernas energi och momentum i ett material som kallas järnselenid. Genom att kombinera de två teknikerna fick de observera elektron-fononkoppling med extraordinär precision, på en femtosekunds tid - miljondelar av en miljarddel av en sekund - och inom ungefär en miljarddel av bredden på ett människohår.

"Vi kunde göra en" film, 'använder motsvarande två kameror för att spela in atomvibrationer och elektronrörelser, och visa att de viftar samtidigt, som två stående vågor över varandra, "sa medförfattaren Shuolong Yang, en postdoktor vid Cornell University.

"Det är inte en film i vanlig mening av bilder som du kan titta på på en skärm, "sa han." Men det fångar upp fonon- och elektronrörelserna i ramar som skjuts 100 biljoner gånger per sekund, och vi kan knyta ihop cirka 100 av dem precis som filmramar för att få en fullständig bild av hur de är länkade. "

Järnseleniden de studerade är ett nyfiket material. Det är känt att leda el utan förlust, men bara vid extremt kalla temperaturer, och på ett sätt som inte helt kunde förklaras av etablerade teorier; det är därför det kallas en okonventionell superledare.

Förföljer en spännande ledtråd

Men för fem år sedan en forskargrupp i Kina rapporterade en spännande observation:När ett atomärt tunt lager av järnselenid läggs ovanpå ett annat material som heter STO - uppkallat efter sina primära ingredienser strontium, titan och syre - dess maximala superledande temperatur hoppar från 8 grader till 60 grader över absolut noll, eller minus 213 grader Celsius. Även om det fortfarande är riktigt kallt, det är en mycket högre temperatur än forskare förväntade sig, och det faller inom arbetsområdet för så kallade "högtemperatur superledare, "vars upptäckt 1986 satte fart i forskningen på grund av den revolutionära inverkan dessa perfekt effektiva elektriska sändare kan ha på samhället.

Uppföljning av denna ledtråd, Shens grupp undersökte samma kombination av material med ARPES. I en 2014 -tidning i Nature, de drog slutsatsen att atomvibrationer i STO reser upp i järnseleniden och ger elektroner den extra energi som de behöver för att para ihop och bära el med noll förlust vid högre temperaturer än de skulle göra på egen hand.

Detta föreslog att forskare kan uppnå ännu högre maximala superledande temperaturer genom att ändra ett antal variabler, såsom underlagets natur under en supraledande film, alla på samma gång.

Men skulle denna koppling av atomvibrationer och kollaborativt elektronbeteende också kunna ske i järn selenid ensam, utan en boost från ett substrat? Det var vad den aktuella studien syftade till att ta reda på.

Som att knacka på en klocka med en hammare

Shens team gjorde en tjockare, atomiskt jämn järn selenidfilm och slå den med infrarött laserljus för att excitera dess 5-biljoner gånger i sekunden atomvibrationer-som att försiktigt knacka på en klocka med en liten hammare, SLAC-personalvetare och medförfattare Patrick Kirchmann sa. Detta fick vibrationerna att synkronisera med varandra under hela filmen, så att de lättare kunde observeras.

Teamet mätte sedan materialets atomvibrationer och elektronbeteende i två separata experiment. Yang, som var en Stanford -doktorand vid den tiden, ledde ARPES -mätningen. Simon Gerber, en postdoktor i Shens grupp, ledde LCLS -mätningarna vid SLAC; han har sedan dess anställt SwissFEL vid Paul Scherrer -institutet i Schweiz som personalvetare.

Den nya studien bevisar inte att kopplingen av atomära och elektroniska vibrationer var ansvarig för att öka järn selenids supraledande temperatur i de tidigare studierna, Sa Kirchmann. Men kombinationen av röntgenlaser och ARPES-observationer bör ge nya och mer sofistikerade insikter om fysiken i materialsystem där flera faktorer spelar in samtidigt, och förhoppningsvis flytta fältet framåt snabbare.