Forskare vid Institutionen för energis SLAC National Accelerator Laboratory och Stanford University har visat att kopparbaserade superledare, eller cuprates - den första klassen av material som befunnits bära el utan förlust vid relativt höga temperaturer - innehåller fluktuerande ränder av elektronladdning och snurr som slingrar sig som nitar över grov mark.

Ränderna är zoner där elektroner antingen hopar sig, skapa band med negativ laddning, eller justera sina snurr för att skapa band av magnetism. De var tidigare kända för att existera i cuprate superledare vid temperaturer nära absolut noll, även om ränderna inte rörde sig i denna djupa kyla och deras exakta roll i supraledning - ökar eller tvingar de det? - har varit oklart.

Nu har forskarna beräknat för första gången visat att dessa ränder också finns vid höga temperaturer, men de är subtila och fluktuerar på ett sätt som bara kunde upptäckas genom numeriska datasimuleringar av en precision och skala som inte gjorts tidigare. Forskarna beskrev sin studie i Vetenskap i dag.

"Det finns anledning att tro att laddnings- och centrifugeringsränder kan vara nära knutna till uppkomsten av högtemperatur supraledning i dessa material, som upptäcktes för 30 år sedan men hittills inte förstås eller förklaras, "sa Edwin Huang, en fysikstudent vid Stanford och vid Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) vid SLAC.

"Denna upptäckt av fluktuerande ränder i en realistisk datormodell kommer att ge oss ett sätt att testa de många teorierna om hur ränder är relaterade till supraledning, "Huang sa." Vi tror att våra resultat kommer att vara användbara för forskare som gör experimentella studier av dessa material, och de kommer också att hjälpa till att utveckla och förfina beräkningsteknikerna som går hand i hand med teori och experiment för att driva fältet framåt. "

Resultaten gäller även andra nya material, sa SIMES -chef Thomas Devereaux. "Material som spontant utvecklar denna typ av olikformig struktur är ganska vanligt, inklusive magneter och ferroelektriska "sa han." Det kan till och med ses som en signatur av "kvantmaterial", vars överraskande egenskaper produceras av elektroner som samarbetar på oväntade sätt. Våra numeriska resultat visar att detta fenomen i allmänhet kan relateras till starka interaktioner mellan elektronladdningar och snurr. "

Ett mystiskt fenomen

I konventionella elektriska ledare, ström överförs av elektroner som verkar individuellt. Men i superledare, elektroner kopplas ihop för att överföra ström utan förlust.

I 75 år efter deras upptäckt, alla kända supraledare drivs endast vid temperaturer nära absolut noll, begränsa hur de kan användas.

Det förändrades 1986, när forskare upptäckte att kuprater kunde superleda vid mycket högre (även om det fortfarande var ganska kallt) temperaturer. Faktiskt, vissa kupratföreningar är supraledande vid temperaturer högre än 100 kelvin, eller minus 173 grader Celsius, möjliggör utveckling av supraledande teknik som kan kylas med flytande kväve.

Men forskare är fortfarande långt ifrån sitt mål att hitta supraledare som arbetar nära rumstemperatur för högeffektiva kraftledningar, maglevtåg och andra applikationer som kan ha en djupgående inverkan på samhället. Utan en grundläggande förståelse för hur högtemperatur superledare fungerar, utvecklingen har gått långsamt.

Datormodellering är ett viktigt verktyg för att uppnå den förståelsen. Modeller är uppsättningar matematiska ekvationer baserade på fysik som teoretiker skapar och ständigt förfinar för att simulera ett material beteende med hjälp av datoralgoritmer. De kontrollerar sina modeller mot observationer och experimentella resultat för att se till att de är på rätt väg.

I detta fall, teamet modellerade elektronbeteende och interaktioner i ett av kuperats kopparoxidlager, det är där den intressanta fysiken händer, sa SIMES -personalforskaren Brian Moritz. Beräkningarna kördes på Stanfords Sherlock -superdatorkluster vid SLAC och vid DOE:s National Energy Research Scientific Computing Center i Berkeley.

Resultaten överensstämde i god överensstämmelse med data från neutronspridningsexperiment på en mängd olika kuprater, sa forskarna, bekräftar att deras simuleringar exakt fångar den elektroniska fysiken hos dessa material.

En mer exakt modell

Detta är första gången som högtemperaturbeteendet hos kuprater har simulerats med en realistisk modell som täcker ett tillräckligt stort område av materialet för att se fluktuerande ränder, Sa Huang. Denna större skala gör också beräkningarna mer exakta.

"Det var en bra balans vi behövde hitta, "sa han." Det här är extremt beräkningskrävande beräkningar. Men om du simulerar beteendet hos mindre områden, du kommer inte att kunna se några ränder som dyker upp. Det var den främsta begränsningen för tidigare studier. "

Simuleringarna visar att ränder uppstår vid temperaturer upp till 600 grader Celsius och i ett stort antal dopningsförhållanden, där föreningar läggs till ett material för att justera dess elektroniska beteende, och så verkar de vara en universell egenskap hos cuprate superledare, sa forskarna.

"Tanken att det finns fluktuerande ränder i kuprater är inte ny, men det har varit ett kontroversiellt ämne i många år, "Huang sa." Det som är nytt här är att vi kan stödja deras existens med objektiv beräkning på en realistisk modell av dessa material. "

En sak studien inte gör, han lade till, är att svara på frågan om huruvida eller hur de fluktuerande ränderna blir supraledande:"Det är den riktningen vi vill gå mot."