Superledare bär elektricitet med perfekt effektivitet, till skillnad från det oundvikliga avfallet som finns i traditionella ledare som koppar. Men denna perfektion kommer till priset av extrem kyla-även så kallad högtemperatur supraledning (HTS) dyker bara upp långt under noll grader Fahrenheit. Att upptäcka den ständigt svårfångade mekanismen bakom HTS kan revolutionera allt från regionala elnät till vindkraftverk.

Nu, ett samarbete som leds av det amerikanska energidepartementets Brookhaven National Laboratory har upptäckt en överraskande sammanbrott i elektroninteraktionerna som kan ligga till grund för HTS. Forskarna fann att när supraledning försvinner vid högre temperaturer, kraftfulla elektronvågor börjar nyfiket koppla ur och bete sig oberoende - som havsvågor som splittras och krusar åt olika håll.

"För första gången, vi identifierade dessa nyckelelektroninteraktioner som händer efter att supraledning har avtagit, "sa den första författaren och Brookhaven Lab -forskarassistenten Hu Miao." Porträttet är både främmande och mer spännande än vi förväntat oss, och det erbjuder nya sätt att förstå och potentiellt utnyttja dessa anmärkningsvärda material. "

Den nya studien, publicerad 7 november i tidningen PNAS , utforskar det förbryllande samspelet mellan två viktiga kvantegenskaper hos elektroner:snurr och laddning.

"Vi vet att laddning och centrifugering låser ihop och bildar vågor i kopparoxider nedkylda till supraledande temperaturer, "sade studiens seniorförfattare och Brookhaven Lab -fysikern Mark Dean." Men vi insåg inte att dessa elektronvågor kvarstår men verkar koppla ur vid högre temperaturer. "

Elektroniska ränder och vågor

Forskare vid Brookhaven Lab upptäckte 1995 att centrifugering och laddning kan låsas ihop och bilda rumsligt modulerade "ränder" vid låga temperaturer i vissa HTS -material. Andra material, dock, funktionskorrelerade elektronladdningar som rullar igenom som laddningstäthetsvågor som tycks ignorera snurr helt. Fördjupning av HTS -mysteriet, laddning och snurr kan också överge oberoende och länka ihop.

"Rollen för dessa" ränder "och korrelerade vågor i högtemperatur supraledning debatteras hårt, "Miao sa." Vissa element kan vara viktiga eller bara en liten bit av det större pusslet. Vi behövde en tydligare bild av elektronaktivitet över temperaturer, särskilt de flyktiga signalerna vid varmare temperaturer. "

Tänk dig att veta den exakta kemiska strukturen av is, till exempel, men har ingen aning om vad som händer när det omvandlas till vätska eller ånga. Med dessa kopparoxid-superledare, eller kopior, det finns ett jämförbart mysterium, men gömd i mycket mer komplexa material. Fortfarande, forskarna behövde i huvudsak ta ett iskallt prov och noggrant värma det för att spåra exakt hur dess egenskaper förändras.

Subtila signaler i specialtillverkade material

Teamet vände sig till ett väletablerat HTS-material, lantan-barium kopparoxider (LBCO) kända för starka randformationer. Brookhaven Lab -forskaren Genda Gu förberedde noggrant proverna och anpassade elektronkonfigurationerna.

"Vi kan inte ha några strukturella avvikelser eller felaktiga atomer i dessa kuprater - de måste vara perfekta, "Sade Dean." Genda är bland de bästa i världen när det gäller att skapa dessa material, och vi har turen att ha hans talang så nära till hands. "

Vid låga temperaturer, elektronsignalerna är kraftfulla och lätt att upptäcka, vilket är en del av varför deras upptäckt skedde för decennier sedan. För att reta ut de mer svårfångade signalerna vid högre temperaturer, laget behövde oöverträffad känslighet.

"Vi vände oss till European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) i Frankrike för det viktigaste experimentella arbetet, "Miao sa." Våra kollegor använder en strållinje som noggrant ställer in röntgenenergin för att resonera med specifika elektroner och upptäcka små förändringar i deras beteende. "

Teamet använde en teknik som kallas resonant oelastisk röntgenspridning (RIXS) för att spåra elektronernas position och laddning. En fokuserad stråle av röntgenstrålar träffar materialet, lägger ner lite energi, och studsar sedan in i detektorer. De spridda röntgenstrålarna bär signaturen av elektronerna de träffar längs vägen.

När temperaturen steg i proverna, orsakar supraledning att blekna, de kopplade laddnings- och snurrvågorna började låsa upp och röra sig oberoende av varandra.

"Detta indikerar att deras koppling kan stärka randformationen, eller genom någon okänd mekanism stärka supraledning vid hög temperatur, "Miao sa." Det garanterar säkert ytterligare utforskning av andra material för att se hur utbredd detta fenomen är. Det är en viktig insikt, säkert, men det är för tidigt att säga hur det kan låsa upp HTS -mekanismen. "

Den ytterligare undersökningen kommer att omfatta ytterligare HTS -material samt andra synkrotronanläggningar, särskilt Brookhaven Labs National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), en DOE Office of Science User Facility.

"Använda nya strållinjer vid NSLS-II, vi kommer att ha friheten att rotera provet och dra nytta av betydligt bättre energiupplösning, "Sade Dean." Detta kommer att ge oss en mer fullständig bild av elektronkorrelationer genom hela provet. Det finns mycket mer upptäckt att komma. "