Tills för cirka 50 år sedan, alla kända supraledare var metaller. Detta var vettigt, eftersom metaller har det största antalet löst bundna "bärar" elektroner som är fria att para ihop och flyta som elektrisk ström utan motstånd och 100 procent effektivitet - kännetecknet för supraledning.

Sedan kom en udda – strontiumtitanat, det första oxidmaterialet och den första halvledaren som visade sig vara supraledande. Även om den inte passar den klassiska profilen av en supraledare – den har väldigt få frigående elektroner – blir den supraledande när förhållandena är rätt, även om ingen kunde förklara varför.

Nu har forskare undersökt det supraledande beteendet hos dess elektroner i detalj för första gången. De upptäckte att det är ännu konstigare än de trodde. Men det är goda nyheter, de sa, eftersom det ger dem en ny vinkel för att tänka på vad som kallas "hög temperatur" supraledning, ett fenomen som skulle kunna utnyttjas för en framtida generation av perfekt effektiva kraftledningar, svävande tåg och annan revolutionerande teknik.

Forskargruppen, ledd av forskare vid Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory och Stanford University, beskrev sin studie i en tidning publicerad 30 januari i Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Om konventionella metallsupraledare finns i ena änden av ett spektrum, strontiumtitanat är hela vägen ner i andra änden. Den har den lägsta densiteten av tillgängliga elektroner av någon supraledare vi känner till, sa Adrian Swartz, en postdoktor vid Stanford Institute for Materials and Energy Science (SIMES) som ledde den experimentella delen av forskningen med Hisashi Inoue, en Stanford-student vid den tiden.

"Det är ett av ett stort antal material som vi kallar "okonventionella" supraledare eftersom de inte kan förklaras av nuvarande teorier, ", sa Swartz. "Genom att studera dess extrema beteende, vi hoppas få insikt i de ingredienser som leder till supraledning i dessa okonventionella material, inklusive de som arbetar vid högre temperaturer."

Duelleringsteorier

Enligt den allmänt accepterade teorin känd som BCS för initialerna till dess uppfinnare, konventionell supraledning utlöses av naturliga vibrationer som krusar genom ett material atomnätverk. Vibrationerna gör att bärarelektroner paras ihop och kondenseras till en supervätska, som flyter genom materialet utan motstånd – en 100 procent effektiv elektrisk ström. I denna bild, det idealiska supraledande materialet innehåller en hög densitet av snabbt rörliga elektroner, och även relativt svaga gittervibrationer räcker för att limma ihop elektronpar.

Men utanför teorin, i riket av okonventionella supraledare, ingen vet vad som limmar ihop elektronparen, och ingen av de konkurrerande teorierna håller in.

För att hitta ledtrådar till vad som händer inuti strontiumtitanat, forskare var tvungna att ta reda på hur man använder ett viktigt verktyg för att studera supraledande beteende, känd som tunnelspektroskopi, till detta material. Det tog flera år, sa Harold Hwang, en professor vid SLAC och Stanford och SIMES utredare.

"Låten att göra det här experimentet har funnits där i decennier, men det har varit en teknisk utmaning, " sa han. "Detta är, så vitt jag vet, den första kompletta uppsättningen data som kommer ut från ett tunnelexperiment på detta material." teamet kunde observera hur materialet svarade på dopning, en vanlig process där elektroner läggs till ett material för att förbättra dess elektroniska prestanda.

"Allt är upp och ner"

Tunnelmätningarna visade att strontiumtitanat är raka motsatsen till vad du kan förvänta dig i en supraledare:dess gittervibrationer är starka och dess bärarelektroner är få och långsamma.

"Det här är ett system där allt är upp och ner, " sa Hwang.

Å andra sidan, detaljer som beteendet och densiteten hos dess elektroner och energin som krävs för att bilda det supraledande tillståndet matchar nästan exakt vad du kan förvänta dig av konventionell BCS-teori, sa Swartz.

"Således, strontiumtitanat verkar vara en okonventionell supraledare som fungerar som en konventionell i vissa avseenden, " sa han. "Detta är en hel gåta, och en överraskning för oss. Vi upptäckte något som var mer förvirrande än vi först trodde, vilket ur en grundläggande fysiksynpunkt är mer djupgående."

Han lade till, "Om vi ​​kan förbättra vår förståelse av supraledning i denna förbryllande uppsättning omständigheter, vi skulle potentiellt kunna lära oss hur man skördar ingredienserna för att realisera supraledning vid högre temperaturer."

Nästa steg, Swartz sa, är att använda tunnelspektroskopi för att testa ett antal teoretiska förutsägelser om varför strontiumtitanat fungerar som det gör.