Forskare som kartlägger superledarnas kvantegenskaper - material som leder elektricitet utan energiförlust - har gått in i en ny regim. Med hjälp av nyanslutna verktyg som heter OASIS vid U.S. Department of Energy's Brookhaven National Laboratory, de har avslöjat tidigare otillgängliga detaljer om "fasdiagrammet" för en av de mest studerade "högtemperatur" superledarna. Den nyligen mappade informationen innehåller signaler om vad som händer när supraledning försvinner.

"När det gäller supraledning, det kan låta illa, men om du studerar något fenomen, det är alltid bra att kunna närma sig det från sitt ursprung, "sa Brookhaven -fysikern Tonica Valla, som ledde studien som just publicerats i tidskriften Naturkommunikation . "Om du har en chans att se hur supraledning försvinner, som i sin tur kan ge insikt om vad som orsakar supraledning i första hand. "

Att låsa upp superledningens hemligheter har ett stort löfte när det gäller att ta itu med energiutmaningar. Material som kan bära ström över långa avstånd utan förlust skulle revolutionera kraftöverföringen, eliminera behovet av att kyla datapackade datacenter, och leda till nya former av energilagring, till exempel. Haken är det, för närvarande, mest kända supraledare, även sorterna "hög temperatur", måste själva hållas superkalla för att utföra sin strömbärande magi. Så, forskare har försökt förstå de viktigaste egenskaperna som orsakar supraledning i dessa material med målet att upptäcka eller skapa nya material som kan fungera vid temperaturer som är mer praktiska för dessa vardagliga applikationer.

Brookhaven-teamet studerade en välkänd högtemperatur superledare gjord av lager som inkluderar vismutoxid, strontiumoxid, kalcium, och kopparoxid (förkortat som BSCCO). Klyvande kristaller av detta material skapar orörda vismut-oxidytor. När de analyserade den elektroniska strukturen på den orörda klyvda ytan, de såg tydliga tecken på supraledning vid en övergångstemperatur (Tc) på 94 Kelvin (-179 grader Celsius)-den högsta temperaturen vid vilken supraledning sätter in för detta välstuderade material.

Teamet värmde sedan prover i ozon (O3) och fann att de kunde uppnå höga dopningsnivåer och utforska tidigare outforskade delar av materialets fasdiagram, vilket är en kartliknande graf som visar hur materialet ändrar sina egenskaper vid olika temperaturer under olika förhållanden (liknande det sätt som du kan kartlägga temperatur- och tryckkoordinaterna vid vilka flytande vatten fryser när det kyls, eller byter till ånga vid uppvärmning). I detta fall, variabeln forskarna var intresserade av var hur många som laddar lediga platser, eller "hål, " lades till, eller "dopas" in i materialet genom exponering för ozon. Hål underlättar strömmen genom att ge laddningarna (elektronerna) någonstans att gå.

"För detta material, om du börjar med kristallen av "förälder" -förening, som är en isolator (vilket betyder ingen konduktivitet), införandet av hål resulterar i supraledning, "Sa Valla. När fler hål läggs till, supraledningen blir starkare och vid högre temperaturer upp till max vid 94 Kelvin, han förklarade. "Sedan, med fler hål, materialet blir 'överdopat', 'och Tc går ner - för detta material, till 50 K.

"Fram till denna studie, ingenting förbi den punkten var känt eftersom vi inte kunde få kristaller dopade över den nivån. Men våra nya data tar oss till en punkt av dopning långt bortom den tidigare gränsen, till en punkt där Tc inte är mätbart. "

Sa Valla, "Det betyder att vi nu kan utforska hela kupolformade kurvan för supraledning i detta material, vilket är något som ingen har kunnat göra tidigare. "

Teamet skapade prover uppvärmda i ett vakuum (för att producera underdopat material) och i ozon (för att göra överdopade prover) och plottade punkter längs hela den superledande kupolen. De upptäckte några intressanta egenskaper i den tidigare outforskade "bortre sidan" av fasdiagrammet.

"Det vi såg är att saker och ting blir mycket enklare, "Sa Valla. Några av de märkligare egenskaperna som finns på den väl utforskade sidan av kartan och komplicerar forskarnas förståelse av högtemperatur supraledning-saker som en" pseudogap "i den elektroniska signaturen, och variationer i partikelspinn och laddningstäthet - försvinner på den överdopade bortre sidan av kupolen.

"Denna sida av fasdiagrammet är ungefär som vi förväntar oss att se i mer konventionell supraledning, "Valla sa, med hänvisning till de äldsta kända metallbaserade superledarna.

"När supraledning är fri från dessa andra saker som komplicerar bilden, då återstår superledningen som kanske inte är så okonventionell, "tillade han." Vi kanske fortfarande inte vet dess ursprung, men på denna sida av fasdiagrammet, det ser ut som något som teorin lättare kan hantera, och det ger dig ett enklare sätt att se på problemet för att försöka förstå vad som händer. "