Ett team av forskare har hittat bevis för en ny typ av elektronparning som kan bredda sökandet efter nya högtemperatur superledare. Resultaten, beskrivs i tidskriften Science, utgöra grunden för en samlad beskrivning av hur radikalt olika "grundmaterial"-isolerande kopparbaserade föreningar och metalliska järnbaserade föreningar-kan utveckla förmågan att bära elektrisk ström utan motstånd vid slående höga temperaturer.

Enligt forskarna, materialens olika elektroniska egenskaper innehar faktiskt nyckeln till det gemensamma.

"Forskare har trott att eftersom utgångspunkten för supraledning i dessa två materialklasser är så olika, du behöver olika teoretiska tillvägagångssätt för att beskriva dem, "sade J.C. Séamus Davis, en fysiker vid U.S. Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory och Cornell University, som ledde teamet av experimentella forskare. "Istället, Vi har motiverats att utforska vad som är universellt med dessa två system. Helst, det borde bara finnas en förklaring. "

Forskare har i allmänhet förstått att mekanismen för supraledningsförmåga i kopparoxidföreningar beror på elektronernas förmåga att närma sig kopparatomer. Varje kopparatom har en enda, oparad elektron i sitt yttersta energiskal, eller orbital. Medan de yttersta elektronerna på intilliggande kopparatomer interagerar starkt med varandra, de brukar vara låsta på plats, fastnat i en "kvantmekanisk trafikstockning" utan att ta vägen, Davis sa. Utan att elektroner rör sig, materialet fungerar som en "starkt korrelerad" elektrisk isolator.

Att ta bort några av de elektroner som finns på kopparatomer resulterar i elektron vakanser som kallas hål. Detta lindrar kvantstoppet så att, när materialet kyls till en viss temperatur, motsatta inriktade elektroner (magnetpartners där "rotationen" av en elektron pekar upp och den intilliggande pekar nedåt) bildar par och blir sedan fria att zippa genom materialet utan hinder-en superledare.

Järnatomer, som har en kärna med mindre positiv laddning än koppar, utövar mindre drag på de cirkulerande elektronerna. Så istället för att fylla på elektronorbitaler, elektroner i flera yttre energiorbitaler förblir oparade, ändå i linje med varandra och elektroniskt aktiva. Inriktningen av oparade elektroner i flera orbitaler ger enkelt järn dess starka magnetiska och metallegenskaper, så det är lätt att se varför järnföreningar skulle vara bra ledare. Men det är inte riktigt klart hur de skulle kunna bli nollresistenta superledare vid höga temperaturer utan de starka interaktioner som skapar ett korrelerat isoleringstillstånd i de kopparbaserade materialen.

För att ta itu med detta problem, teoretiska fysiker började överväga möjligheten att de oparade elektronerna i järnets olika orbitaler skulle kunna spela mycket olika roller. Kanske kan oparade elektroner i en viss orbital kopplas ihop med elektroner i samma orbital på en intilliggande atom för att bära överströmmen, medan elektroner i de andra orbitalerna tillhandahåller isoleringen, magnetisk, och metalliska egenskaper.

"Utmaningen är att hitta ett sätt att se att några av elektronerna är supraledande och några är isolerande i samma kristall, "Sa Davis.

Forskningen publicerad i Vetenskap ger det första direkta beviset på att sådan "orbital-selektiv" elektronparning äger rum.

Teoriteamet för detta projekt-Andreas Kreisel (University of Leipzig), Peter Hirschfeld (University of Florida), och Brian Anderson (Köpenhamns universitet) -definierade de elektroniska signaturer som bör associeras med varje omlopp på järnatomerna. Sedan, experimenterade Peter Sprau och Andrey Kostin (båda Brookhaven Lab och Cornell) använde ett skanningstunnelmikroskop vid Center for Emergent Superconductivity-a DOE Energy Frontier Research Center på Brookhaven Lab-för att mäta energi och momentum i elektroner i järn-selenidprover som syntetiserades av Anna Bohmer och Paul Canfield vid DOE:s Ames Laboratory. Att jämföra mätningarna med de förutspådda elektroniska signaturerna gjorde det möjligt för forskarna att identifiera vilka elektroner som var associerade med varje orbital.

Med denna information, "Vi kan mäta bindningsenergi och momentum för elektroner i" Cooper-paren "som är ansvariga för supraledning och identifiera vilka energimomentumegenskaper de har-vilken orbital de kommer från, "Sa Davis.

"Vi kunde visa att nästan alla elektroner i Cooper -par i järnselenid var från en speciell orbital med lägre energi (d_yz -orbitalen), "Sade Davis. Fynden innebär också att elektronen i järns yttersta omlopp i järnselenid uppvisar praktiskt taget isolerande egenskaper, precis som det gör i kopparoxidföreningarna.

"Eftersom järnselenid normalt uppvisar god metallisk konduktivitet, hur skulle man någonsin kunna veta att elektronerna i denna orbital fungerar som de är i korrelerade isolatorer? Detta starkt interagerande och praktiskt taget isolerande tillstånd gömde sig för ögonen! "Sa han.

Med detta yttre orbitalisolerande tillstånd, järnföreningen har alla samma krav för supraledning som kopparoxiderna gör-en stark magnetisk interaktion (upp/ned-parning) av de nästan lokaliserade elektronerna, och ett metalliskt tillstånd som gör att dessa par kan röra sig. Den stora skillnaden är att i järn selenid, dessa bidrag kommer från olika elektroner i tre separata aktiva orbitaler, istället för den enda elektronen i en aktiv orbital i koppar.

"I järn har du ledningsförmågan gratis. Och du har magnetismen gratis, men det är baserat på en annan elektron. Båda sameksisterar i samma atom, "Sa Davis. Så när du väl har Cooper -par, det verkar som om det inte finns något behov av att lägga till hål för att få strömmen att flöda.

Denna insikt kan bredda sökandet efter nya superledare som potentiellt kan fungera under varmare förhållanden. Sådana högre högtemperatur superledare skulle vara mer praktiska för verkliga världen, energibesparande applikationer som kraftledningar eller energilagringsenheter.

"Istället för att söka efter nya en-elektron antiferromagnetiska isolatorer som kopparoxid för att göra högtemperatur superledare, vi kanske borde leta efter nya högmagnetiska, metalliska material som har egenskaper som järn men i ett orbitalt selektivt arrangemang, "Davis sa." Detta öppnar materialvetenskapens värld för många nya typer av material som kan vara högtemperatur superledare. "