Superledares perfekta prestanda kan revolutionera allt från nätinfrastruktur till konsumentelektronik, om de bara skulle kunna tvingas arbeta över kalla temperaturer. Även så kallade högtemperatur superledare (HTS) måste kylas till hundratals grader Fahrenheit under noll.

Nu, forskare från US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory och Yale University har upptäckt nya, överraskande beteende av elektroner i ett HTS -material. Resultaten, publicerad den 27 juli i tidningen Natur , beskriv det symmetribrytande flödet av elektroner genom supraledare av kopparoxid (kuprat). Beteendet kan vara kopplat till den ständigt gäckande mekanismen bakom HTS.

"Vår upptäckt utmanar en hörnsten i fysik för kondenserad materia, "sa huvudförfattaren och Brookhaven Lab -fysikern Jie Wu." Dessa elektroner tycks spontant "välja" sina egna vägar genom materialet - ett fenomen som står i direkt motsats till förväntningarna. "

Terrängelektroner

I enkla metaller, elektroner rör sig jämnt och utan riktningspreferens - tänk på en vätska som sprider sig ut på en yta. HTS-materialen i denna studie är skiktade med fyrfaldig rotationssymmetri av kristallstrukturen. Elektrisk ström förväntas flyta likformigt parallellt med dessa lager - men detta är inte vad Brookhaven -gruppen observerade.

"Jag är från Mellanvästern, där miles av jordbruksmark skiljer städerna, "sa Brookhaven-fysikern och studiemedförfattaren Anthony Bollinger." Landsvägarna mellan städerna är till stor del anlagda som ett rutnät som går norr-till-söder och öst-till-väst. Du förväntar dig att bilar följer rutnätet, som är skräddarsydd för dem. Denna symmetribrytning är som om alla bestämde sig för att lämna de asfalterade vägarna och köra rakt över jordbrukarnas åkrar. "

I en annan twist, den symmetribrytande spänningen kvarstod upp till rumstemperatur och över hela spektrumet av kemiska kompositioner forskarna undersökte.

"Elektronerna koordinerar på något sätt sin rörelse genom materialet, även efter att supraledningen misslyckats, "sa Wu.

Starka elektron-elektroninteraktioner kan hjälpa till att förklara strömflödets förmånsriktning. I tur och ordning, dessa inneboende elektroniska finesser kan dela ett förhållande med HTS -fenomen och ge en ledtråd till avkodning av dess okända mekanism.

Söker atomisk perfektion

Till skillnad från välförstått klassisk supraledning, HTS har förbryllat forskare i mer än tre decennier. Nu, avancerad teknik erbjuder insikter utan motstycke.

"Den svåraste delen av hela arbetet - och det som hjälper oss att skilja oss åt - var den noggranna materialsyntesen, "sa studiemedförfattaren Xi He.

Detta arbete var en del av ett större projekt som tog 12 år och omfattade syntes och studier av mer än 2, 000 filmer av superledare lantan-strontium-koppar-oxid.

"Denna forskningsskala är väl lämpad för en nationell laboratoriemiljö, "sa Ivan Bozovic, som leder Brookhaven -gruppen bakom insatsen.

De använder en teknik som kallas molecular beam epitaxy (MBE) för att montera komplexa oxider ett atomskikt åt gången. För att säkerställa strukturell perfektion, forskarna karakteriserar materialen i realtid med elektrondiffraktion, där en elektronstråle träffar provet och känsliga detektorer mäter exakt hur det sprids.

"Själva materialet är vår grund, och det måste vara så felfritt som möjligt att garantera att de observerade egenskaperna är inneboende, "Sa Bozovic." Dessutom, i kraft av vår "digitala" syntes, vi konstruerar filmerna på atomlagernivå, och optimera dem för olika studier. "

Simning mot strömmen

Det första stora resultatet av denna omfattande studie av MBE -gruppen vid Brookhaven publicerades i Natur förra året. Det visade att det supraledande tillståndet i kopparoxidmaterial är ganska ovanligt, utmanar standardförståelsen.

Denna upptäckt antydde att det så kallade "normala" metalliska tillståndet, som bildas över den kritiska temperaturgränsen vid vilken superledningen bryts ner, kan också vara extraordinärt. Tittar noga, forskarna observerade att när extern ström flödade genom proverna, en spontan spänning uppstod oväntat vinkelrätt mot den strömmen.

"Vi såg den här bisarra spänningen första gången för över ett decennium sedan, men vi och andra diskonterade det som ett slags fel, "Sa Bollinger." Men så dök det upp igen, och igen, och igen - under alltmer kontrollerade förhållanden - och vi fick slut på sätt att förklara bort det. När vi äntligen dök in, resultaten överträffade våra förväntningar. "

För att fastställa fenomenets ursprung, forskarna tillverkade och mätte tusentals enheter mönstrade från HTS -filmerna. De studerade hur denna spontana spänning beror på strömriktningen, temperatur, och den kemiska sammansättningen (dopningsnivån av strontium, som styr elektrontätheten). De varierade också typen och kristallstrukturen för substraten på vilka HTS -filmerna odlas, och även hur underlaget poleras.

Dessa noggranna studier visade utan tvekan att effekten är inneboende för HTS -materialet självt, och att dess ursprung är rent elektroniskt.

På molekylär nivå, vanliga vätskor ser likadana ut i alla riktningar. Vissa, dock, består av stavliknande molekyler, som tenderar att rikta in sig i en föredragen riktning. Sådana material kallas flytande kristaller - de polariserar ljus och används ofta i displayer. Medan elektroner i vanliga metaller beter sig som en vätska, i koppar beter de sig som en elektronisk flytande kristall.

"Vi måste förstå hur detta elektronbeteende passar in i HTS -pusslet som helhet, "Han sa." Denna studie ger oss nya idéer att förfölja och sätt att ta itu med det som kan vara det största mysteriet i kondenserad fysik. Jag är spänd på att se vart denna forskning tar oss. "