Ett team av forskare har upptäckt ett dolt tillstånd av elektronisk ordning i ett skiktat material som innehåller lantan, barium, koppar, och syre (LBCO). När den kyls till en viss temperatur och med vissa koncentrationer av barium, LBCO är känt för att leda elektricitet utan motstånd, men nu finns det bevis för att ett supraledande tillstånd faktiskt inträffar över denna temperatur också. Det var bara en fråga om att använda rätt verktyg – i det här fallet, högintensiva pulser av infrarött ljus – för att kunna se det.

Rapporterade i en tidning publicerad i numret 2 februari av Vetenskap , teamets fynd ger ytterligare insikt i det decennier långa mysteriet med supraledning i LBCO och liknande föreningar som innehåller koppar- och syreskikt inklämda mellan andra element. Dessa "kuprater" blir supraledande vid relativt högre temperaturer än traditionella supraledare, som måste frysas till nära absolut noll (minus 459 grader Fahrenheit) innan deras elektroner kan flöda genom dem med 100-procentig effektivitet. Att förstå varför kuprater beter sig som de gör kan hjälpa forskare att designa bättre högtemperatursupraledare, eliminera kostnaderna för dyra kylsystem och förbättra effektiviteten av kraftgenerering, överföring, och distribution. Föreställ dig datorer som aldrig blir varmare och elnät som aldrig förlorar energi.

"Det slutliga målet är att uppnå supraledning vid rumstemperatur, sade John Tranquada, en fysiker och ledare för Neutron Scatter Group i Condensed Matter Physics and Materials Science Department vid US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory, där han har studerat cuprates sedan 1980-talet. "Om vi ​​vill göra det genom design, vi måste ta reda på vilka egenskaper som är avgörande för supraledning. Att reta ut dessa funktioner i så komplicerade material som cuprates är ingen lätt uppgift."

Koppar-syreplanen av LBCO innehåller "ränder" av elektrisk laddning åtskilda av en typ av magnetism där elektronen snurrar växlar i motsatta riktningar. För att LBCO ska bli supraledande, de enskilda elektronerna i dessa ränder måste kunna paras ihop och röra sig unisont genom hela materialet.

Tidigare experiment visade att över den temperatur vid vilken LBCO blir supraledande, resistans uppstår när den elektriska transporten är vinkelrät mot planen men är noll när transporten är parallell. Teoretiker föreslog att detta fenomen kan vara konsekvensen av en ovanlig rumslig modulering av supraledning, med amplituden för det supraledande tillståndet som svänger från positivt till negativt vid förflyttning från en laddningsremsa till nästa. Randmönstret roterar 90 grader från lager till lager, och de trodde att denna relativa orientering hindrade de supraledande elektronparen från att röra sig koherent mellan lagren.

"Denna idé liknar att passera ljus genom ett par optiska polarisatorer, såsom linserna till vissa solglasögon, " sa Tranquada. "När polarisatorerna har samma orientering, de passerar ljus, men när deras relativa orientering vrids till 90 grader, de blockerar allt ljus."

Dock, ett direkt experimentellt test av denna bild hade saknats — fram till nu.

En av utmaningarna är att syntetisera de stora, högkvalitativa enkristaller av LBCO som behövs för att utföra experiment. "Det tar två månader att växa en kristall, och processen kräver exakt kontroll över temperaturen, atmosfär, kemisk sammansättning, och andra villkor, " sa medförfattaren Genda Gu, en fysiker i Tranquadas grupp. Gu använde en infraröd bildugn - en maskin med två ljusa lampor som fokuserar infrarött ljus på en cylindrisk stav som innehåller utgångsmaterialet, värma den till nästan 2500 grader Fahrenheit och få den att smälta - i hans kristalltillväxtlabb för att odla LBCO-kristallerna.

Samarbetspartners vid Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter och University of Oxford riktade sedan infrarött ljus, genereras från högintensiva laserpulser, vid kristallerna (med ljuspolarisationen i en riktning vinkelrät mot planen) och mätte intensiteten av ljus som reflekterades tillbaka från provet. Förutom det vanliga svaret – kristallerna reflekterade samma frekvens av ljus som skickades in – upptäckte forskarna en signal som var tre gånger högre än frekvensen för det infallande ljuset.

"För prover med tredimensionell supraledning, den supraledande signaturen kan ses både vid grundfrekvensen och vid den tredje övertonen, " sa Tranquada. "För ett prov där laddningsränder blockerar den supraledande strömmen mellan lagren, det finns ingen optisk signatur vid grundfrekvensen. Dock, genom att driva systemet ur jämvikt med det intensiva infraröda ljuset, forskarna inducerade en nätkoppling mellan lagren, och den supraledande signaturen dyker upp i den tredje övertonen. Vi hade misstänkt att elektronparningen var närvarande - det krävdes bara ett starkare verktyg för att få fram denna supraledning."

Teoretiker från Hamburgs universitet stödde denna experimentella observation med analys och numeriska simuleringar av reflektiviteten.

Denna forskning ger en ny teknik för att undersöka olika typer av elektroniska beställningar i högtemperatursupraledare, och den nya förståelsen kan vara till hjälp för att förklara andra konstiga beteenden hos cuprates.