När det gäller högtemperatur superledare, "hög" är en relativ term. Inom superledningsförmågan, "hög temperatur" betyder allt som fortfarande kan vara superledande över 30 grader Kelvin (K), eller ljummet -405 grader Fahrenheit (F).
Den första högtemperatur superledaren upptäcktes 1986, i keramiska föreningar av koppar och syre som kallas cuprates. Dessa material kan nå supraledning runt 35 grader Kelvin eller -396,67 grader Fahrenheit. Under de följande decennierna, att temperaturgränsen ökade och, hittills, forskare har uppnått supraledning i koppar vid temperaturer upp till 135 grader Kelvin.
Det är viktiga framsteg, För att vara säker, men supraledning vid rumstemperatur, som kräver drift vid 300 grader Kelvin, är fortfarande långt kvar, om inte omöjligt.
Ett av de största hindren är att forskare fortfarande inte förstår de fullständiga bakomliggande mekanismerna för kupratsupraledning och varför det finns en sådan variation i supraledande övergångstemperatur bland kopparföreningar.
Nu, forskare vid Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) kan ha svaret. Forskarna, ledd av Xin Li, Docent i materialvetenskap på SEAS, fann att styrkan hos en viss kemisk bindning i koppratföreningar påverkar temperaturen vid vilken materialet uppnår supraledningsförmåga.
Forskningen publiceras i Fysiska granskningsbrev .
"Detta kan vara en ny start för att designa material med högtemperatur supraledning, "sa Li." Vår forskning belyser en nyckelkomponent i de komplicerade fenomenen i cuprates och pekar oss i en ny och spännande riktning för materialdesign. "
Alla koppar har samma strukturella byggstenar - skiktade plan av kopparperoxid (CuO 2 ) med en syrejon utanför planet, känd som det apikala syret. Denna syrejon sitter ovanför varje kopparatom i CuO 2 plan, som en boj på vattenytan. Den viktigaste skillnaden mellan kupratföreningar kommer från vilket annat element som är fäst vid syrebojen. Detta element är känt som den apikala katjonen och kan vara en mängd olika element inklusive lantan, vismut, koppar, eller kvicksilver.
Temperaturen vid vilken materialet blir supraledande ändras beroende på vilket element som används, men ingen vet riktigt varför.
Genom att jämföra simulering och experiment, Li och hans team visade att nyckeln är bindningen mellan den apikala katjonen och det apikala syret - desto starkare är den kemiska bindningen, den högre temperaturen vid vilken materialet blir supraledande.
Men varför höjer denna bindning supraledande temperaturer?
Superledare beskrivs ofta som elektroniska motorvägar, eller super carpool körfält, där parade elektroner är bilar och det superledande materialet är det speciella, friktionsfri väg för bilarna att röra sig.
Dock, elektroner rör sig inte riktigt över en högtemperatur superledare som en bil på en väg. Istället, hoppar de. Denna hoppningsprocess görs mycket enklare när kristallgitteret som elektronerna rör sig på oscillerar på ett visst sätt.
En stark kemisk bindning mellan den apikala anjonen och den apikala katjonen ökar oscillationen av både gallret och den inducerade elektriska strömmen.
Föreställ dig en drake knuten till en boj och många sådana drake-boj-enheter står i kö. Om bandet mellan draken och bojen är starkt, draken kan dra bojen upp och ner, orsakar krusningar och stänk i vattnet. Krusningarna liknar gitteroscillationen och stänkarna representerar elektronerna som trycks ut ur CuO 2 plan. Krusningarna och stänkarna är inte kaotiska, snarare, de följer kooperativt vissa regler som berättar buys hur man ska svänga på det bästa sättet för att hjälpa elektronen att enkelt hoppa längs med materialet.
"Vi visade att denna strukturella enhet - kopparsyreskiktet, den apikala anjonen, och den apikala katjonen - är en grundläggande byggsten som kan kopplas dynamiskt för att styra materialets supraledande egenskaper, "sa Li." Detta öppnar upp en helt ny väg för att utforska materialets supraledande egenskaper. "
Nästa, forskarna syftar till att utforska hur denna nya effekt påverkar vår förståelse av det mystiska fasdiagrammet i högtemperatur superledare, inklusive parningsmekanismen i dessa superledare.
