Att manipulera energiflödet genom supraledare kan radikalt omvandla teknik, kanske leder till applikationer som ultra-snabb, mycket effektiva kvantdatorer. Men denna subtila dynamik - inklusive värmespridning - spelar ut med absurd hastighet över svindlande subatomära strukturer.

Nu, forskare har spårat aldrig tidigare sett interaktioner mellan elektroner och kristallgitterstrukturen hos superledare av kopparoxid. Samarbetet, ledd av forskare vid US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory, uppnådde mätprecision snabbare än en biljonedel av en sekund genom en banbrytande kombination av experimentella tekniker.

"Detta genombrott erbjuder direkt, grundläggande inblick i de förvirrande egenskaperna hos dessa anmärkningsvärda material, sa Brookhaven Lab -forskaren Yimei Zhu, som ledde forskningen. "Vi hade redan bevis på hur gittervibrationer påverkar elektronaktivitet och sprider värme, men det var allt genom avdrag. Nu, till sist, vi kan se det direkt. "

Resultaten, publicerad 27 april i tidningen Vetenskapliga framsteg , kan främja forskning om kraftfulla, flyktiga fenomen som finns i kopparoxider-inklusive högtemperatur supraledning-och hjälper forskare att konstruera nya, material med bättre prestanda.

"Vi hittade ett nyanserat atomlandskap, där vissa högfrekventa, "heta" vibrationer i superledaren absorberar snabbt energi från elektroner och ökar i intensitet, "sa författaren Tatiana Konstantinova, en doktorsexamen student vid Stony Brook University som gör sitt examensarbete vid Brookhaven Lab. "Andra delar av gallret, dock, var långsamma att reagera. Att se denna typ av interaktion i flera steg förvandlar vår förståelse av kopparoxider. "

Forskare använde ultrasnabb elektrondiffraktion och fotoemissionsspektroskopi för att observera förändringar i elektronenergi och momentum samt fluktuationer i atomstrukturen.

Andra samarbetsinstitutioner inkluderar SLAC National Accelerator Laboratory, North Carolina State University, Georgetown University, och universitetet i Duisburg-Essen i Tyskland.

Vibrationer genom ett kristallint träd

Laget valde Bi ₂ Sr ₂ CaCu ₂ O ₈ , en välkänd supraledande kopparoxid som uppvisar de starka interaktioner som är centrala i studien. Även vid temperaturer nära absolut noll, det kristallina atomgitteret vibrerar och mycket små energipulser kan få vibrationerna att öka i amplitud.

"Dessa atomvibrationer är regementerade och diskreta, vilket betyder att de delar sig över specifika frekvenser, "Zhu sa." Vi kallar vibrationer med specifika frekvensers fononer, 'och deras interaktioner med flytande elektroner var vårt mål. "

Detta interaktionssystem är lite som fördelningen av vatten genom ett träd, Konstantinova förklarade. Utsatt för regn, bara rötterna kan absorbera vattnet innan de sprids genom stammen och in i grenarna.

"Här, vattnet är som energi, regnar ner på superledarens förgreningsstruktur, och jorden är som våra elektroner, "Konstantinova sa." Men dessa elektroner kommer bara att interagera med vissa fononer, som, i tur och ordning, omfördela energin. Dessa fononer är som de dolda, mycket interaktiva "rötter" som vi behövde upptäcka. "

Beam-driven atombilder

Atomerna böjer och skiftar på extremt snabba tidsskalor - tänk 100 femtosekunder, eller miljoner miljarder av en sekund - och dessa rörelser måste fastställas för att förstå deras effekt. Och, helst, dissekera och manipulera dessa interaktioner.

Teamet använde en skräddarsydd, skiktad vismutbaserad förening, som kan klyvas till 100 nanometerprover genom den relativt enkla appliceringen av skotsk tejp.

Materialet testades sedan med användning av den så kallade "pumpsond" -tekniken för miljon-elektron-volt ultrasnabb elektrondiffraktion (MeV-UED). Som i liknande tidsupplösta experiment, en snabb ljuspuls (pump) träffade provet, varar bara 100 femtosekunder och avsätter energi. En elektronstråle följde, studsade av kristallgitteret, och en detektor mätte dess diffraktionsmönster. Att upprepa denna process - som en serie atombilder - avslöjade den snabba, subtil förändring av atomvibrationer över tid.

Efter de första MeV-UED-experimenten på Brookhaven Lab, datainsamlingen fortsatte vid SLAC National Accelerator Laboratory:s UED -anläggning under flytten av Brookhaven -instrumentet till en annan byggnad. Kollegor på SLAC UED -anläggningen, ledd av Xijie Wang, hjälpte till med experimentet.

Elektronens diffraktion, dock, gav bara halva bilden. Med hjälp av tids- och vinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi (tr-ARPES), laget spårade förändringarna i elektroner i materialet. En första laser träffade provet och en andra följde snabbt-igen med 100 femtosekund precision-för att sparka elektroner från ytan. Att upptäcka de flygande elektronerna avslöjade förändringar över tid i både energi och momentum.

TR-ARPES-experimenten genomfördes vid anläggningen vid University Duisburg-Essen av Brookhaven Lab-forskarna Jonathan Rameau och Peter Johnson och deras tyska kollegor. Forskare från North Carolina State University och Georgetown University gav teoretiskt stöd.

"Båda experimentella teknikerna är ganska sofistikerade och kräver insatser från experter inom flera discipliner, från laseroptik till acceleratorer och fysik av kondenserad materia, "Konstantinova sa." Instrumentets kaliber och provets kvalitet gjorde att vi kunde skilja mellan olika typer av gittervibrationer. "

Teamet visade att atomvibrationerna i elektron-gitterinteraktionerna är varierande och, på vissa sätt, kontraintuitivt.

När gallret tar upp energi från elektroner, amplituden för högfrekventa fononer ökar först medan de lägsta frekvensvibrationerna ökar sist. De olika energiflödeshastigheterna mellan vibrationer innebär att provet, när de utsätts för en utbrott av fotoner, rör sig genom nya stadier som skulle kringgås om de bara utsätts för värme.

"Våra data vägleder de nya kvantitativa beskrivningarna av obalansbeteende i komplexa system, "Sade Konstantinova." Det experimentella tillvägagångssättet gäller lätt andra spännande material där elektron-gitterinteraktioner är av stort intresse. "