I supraledande material, elektroner kopplas ihop och kondenseras till ett kvanttillstånd som bär elektrisk ström utan förlust. Detta händer vanligtvis vid mycket låga temperaturer. Forskare har satsat på att utveckla nya typer av superledare som arbetar nära rumstemperatur, vilket skulle spara enorma mängder energi och öppna en ny väg för att designa kvantelektronik. Att ta sig dit, de måste ta reda på vad som utlöser denna högtemperaturform av supraledning och hur man får det att hända vid behov.

Nu, i oberoende studier rapporterade i Vetenskap och Natur , forskare från Department of Energy SLAC National Accelerator Laboratory och Stanford University rapporterar två viktiga framsteg:De mätte kollektiva vibrationer av elektroner för första gången och visade hur elektronernas kollektiva interaktioner med andra faktorer verkar öka supraledning.

Utförd med olika kopparbaserade material och med olika spetstekniker, experimenten lägger fram nya metoder för att undersöka hur okonventionella superledare fungerar.

"I grund och botten, det vi försöker göra är att förstå vad som gör en bra superledare, "sa medförfattaren Thomas Devereaux, professor vid SLAC och Stanford och chef för SIMES, Stanford Institute for Materials and Energy Sciences, vars utredare ledde båda studierna.

"Vilka ingredienser kan ge upphov till supraledning vid temperaturer långt över vad de är idag?" han sa. "Dessa och andra nya studier indikerar att atomgitteret spelar en viktig roll, ger oss hopp om att vi vinner mark när vi svarar på den frågan. "

Högtemperaturpusslet

Konventionella superledare upptäcktes 1911, och forskare vet hur de fungerar:Fritt flytande elektroner lockas till ett materials gitter av atomer, som har en positiv laddning, på ett sätt som låter dem kopplas ihop och flöda som elektrisk ström med 100 procent effektivitet. I dag, supraledande teknik används i MR -maskiner, maglevtåg och partikelacceleratorer.

Men dessa superledare fungerar bara när de kyls till temperaturer så kalla som yttre rymden. Så när forskare 1986 upptäckte att en familj av kopparbaserade material, kända som kuprater, kan leda superledande mycket högre, fast det är ganska kallt, temperaturer, de var upprymda.

Driftstemperaturen för koppar har ökat sedan dess - det aktuella rekordet ligger cirka 120 grader Celsius under vattenets fryspunkt - när forskare undersöker ett antal faktorer som antingen kan öka eller störa deras supraledning. Men det finns fortfarande ingen enighet om hur kupraterna fungerar.

"Nyckelfrågan är hur kan vi göra alla dessa elektroner, som i hög grad beter sig som individer och inte vill samarbeta med andra, kondensera till en kollektiv stat där alla parter deltar och ger upphov till detta anmärkningsvärda kollektiva beteende? "sa Zhi-Xun Shen, en SLAC/Stanford -professor och SIMES -utredare som deltog i båda studierna.

Ökning bakom kulisserna

En av de nya studierna, vid SLAC:s Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL), tog en systematisk titt på hur "dopning" - tillsats av en kemikalie som ändrar densiteten hos elektroner i ett material - påverkar supraledning och andra egenskaper hos en kopp som kallas Bi2212.

Samarbetande forskare vid National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) i Japan utarbetade prover av materialet med något olika dopningsnivåer. Sedan undersökte ett team under ledning av SIMES-forskaren Yu He och SSRL-personalforskaren Makoto Hashimoto proverna vid SSRL med vinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi, eller ARPES. Den använder en kraftfull stråle av röntgenljus för att sparka enskilda elektroner ur ett provmaterial så att deras momentum och energi kan mätas. Detta avslöjar vad elektronerna i materialet gör.

I detta fall, när dopningsnivån ökade, den maximala supraledande temperaturen för materialet toppade och föll igen, Han sa.

Teamet fokuserade på prover med särskilt robusta supraledande egenskaper. De upptäckte att tre sammanvävda effekter - elektroners interaktioner med varandra, med gittervibrationer och med själva superledningen - förstärka varandra i en positiv återkopplingsslinga när förhållandena är rätt, öka supraledningsförmågan och höja materialets supraledande temperatur.

Små förändringar i dopning gav stora förändringar i supraledning och i elektronernas interaktion med gittervibrationer, Sa Devereaux. Nästa steg är att ta reda på varför just denna dopningsnivå är så viktig.

"En populär teori har varit att snarare än att atomgitteret är källan till elektronparningen, som i konventionella superledare, elektronerna i högtemperatur superledare bildar någon form av konspiration av sig själva. Detta kallas elektronisk korrelation, ”Yu He said.” Till exempel, om du hade ett rum fullt av elektroner, de skulle sprida sig. Men om några av dem kräver mer individuellt utrymme, andra måste pressa sig närmare för att rymma dem. "

I den här studien, Han sa, "Det vi finner är att gitteret trots allt har en roll bakom kulisserna, och vi kan ha förbisett en viktig ingrediens för högtemperatur supraledning under de senaste tre decennierna, "en slutsats som knyter an till resultaten från tidigare forskning från SIMES -gruppen.

Elektron 'Sound Waves'

Den andra studien, utfört vid European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) i Frankrike, använde en teknik som kallas resonant oelastisk röntgenspridning, eller RIXS, att observera elektronernas kollektiva beteende i skiktade koppar som kallas LCCO och NCCO.

RIXS väcker elektroner djupt inuti atomer med röntgenstrålar, och mäter sedan ljuset som de avger när de slår sig ner till sina ursprungliga fläckar.

Förr, de flesta studier har endast fokuserat på beteendet hos elektroner i ett enda lager av kopparmaterial, där elektroner är kända för att vara mycket mer rörliga än de är mellan lager, sa SIMES-personalvetaren Wei-Sheng Lee. Han ledde studien med Matthias Hepting, som nu är vid Max Planck Institute for Solid State Research i Tyskland.

Men i det här fallet, laget ville testa en idé som teoretikerna tog upp - att energin som genereras av elektroner i ett lager som avvisar elektroner i nästa spelar en avgörande roll för bildandet av supraledande tillstånd.

När det upphetsas av ljus, denna avstötningsenergi leder till att elektroner bildar en distinkt ljudvåg som kallas en akustisk plasmon, som teoretiker förutspår skulle kunna stå för så mycket som 20 procent av höjningen av supraledande temperatur sett i kuprater.

Med det senaste inom RIXS -teknik, SIMES -teamet kunde observera och mäta de akustiska plasmonerna.

"Här ser vi för första gången hur akustiska plasmoner sprider sig genom hela gallret, "Sade Lee." Även om detta inte löser frågan varifrån energin som behövs för att bilda det superledande tillståndet kommer ifrån, det säger oss att den skiktade strukturen i sig påverkar hur elektronerna beter sig på ett mycket djupt sätt. "

Denna observation sätter scenen för framtida studier som manipulerar ljudvågorna med ljus, till exempel, på ett sätt som förbättrar supraledning, Sa Lee. Resultaten är också relevanta för utveckling av framtida plasmonteknik, han sa, med en rad applikationer från sensorer till fotoniska och elektroniska enheter för kommunikation.