På 1980 -talet, upptäckten av högtemperatur superledare, kända som cuprates, ledde till en allmänt hållen teori om att superledarmaterial bär elektrisk ström utan motstånd endast vid mycket låga temperaturer på cirka 30 Kelvin (eller minus 406 grader Fahrenheit). Sedan decennier sedan, forskare har blivit mystifierade av förmågan hos vissa kuprater att supraleda vid temperaturer över 100 Kelvin (minus 280 grader Fahrenheit).

Nu, forskare vid U.S. Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har avslöjat en ledtråd till cupraternas ovanliga egenskaper - och svaret ligger inom en oväntad källa:elektronspinnet. Deras uppsats som beskriver forskningen bakom denna upptäckt publicerades den 13 december i tidningen Vetenskap .

Lägga till elektronspinn till ekvationen

Varje elektron är som en liten magnet som pekar i en viss riktning. Och elektroner i de flesta superledarmaterial tycks följa sin egen inre kompass. Istället för att peka åt samma håll, deras elektronspinn pekar slumpmässigt åt alla håll - några upp, några ner, andra vänster eller höger.

När forskare utvecklar nya typer av material, de brukar titta på materialens elektronspinn, eller i vilken riktning elektronerna pekar. Men när det gäller att göra supraledare, kondenserade fysiker har traditionellt inte fokuserat på snurr, eftersom den konventionellt uppfattningen var att alla egenskaper som gör dessa material unika formades endast av det sätt på vilket två elektroner interagerar med varandra genom det som kallas "elektronkorrelation".

Men när ett forskargrupp ledd av Alessandra Lanzara, en fakultetsvetare vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning och en Charles Kittel professor i fysik vid UC Berkeley, använde en unik detektor för att mäta prover av en exotisk koppar superledare, Bi-2212 (vismutstrontiumkalciumoxid), med en kraftfull teknik som kallas SARPES (spin- och vinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi), de avslöjade något som trotsade allt de någonsin hade vetat om supraledare:ett distinkt mönster av elektronspinn i materialet.

"Med andra ord, vi upptäckte att det fanns en väldefinierad riktning i vilken varje elektron pekade med tanke på dess momentum, en fastighet som också kallas spin-momentum locking, "sa Lanzara." Att hitta den i högtemperatur superledare var en stor överraskning. "

En ny karta för högtemperatur superledare

I superledarnas värld, "hög temperatur" betyder att materialet kan leda elektricitet utan motstånd vid temperaturer högre än förväntat men fortfarande i extremt kalla temperaturer långt under noll grader Fahrenheit. Det beror på att superledare måste vara utomordentligt kalla för att bära el utan motstånd. Vid de låga temperaturerna, elektroner kan röra sig i synk med varandra och inte bli knackade av jiggande atomer, orsakar elektrisk motstånd.

Och inom denna speciella klass av högtemperatur superledarmaterial, cuprates är några av de bästa artisterna, få några forskare att tro att de har potential som nytt material för att bygga supereffektiva elektriska ledningar som kan bära ström utan att förlora elektronmoment, sa medledarförfattaren Kenneth Gotlieb, som var doktorand student i Lanzaras labb vid upptäckten. Att förstå vad som gör att några exotiska cuprate superledare som Bi -2212 fungerar vid temperaturer så höga som 133 Kelvin (cirka -220 grader Fahrenheit) kan göra det lättare att förverkliga en praktisk enhet.

Bland de mycket exotiska material som kondenserade fysiker studerar, det finns två typer av elektroninteraktioner som ger upphov till nya egenskaper för nya material, inklusive superledare, sa Gotlieb. Forskare som har studerat cuprate superledare har fokuserat på bara en av dessa interaktioner:elektronkorrelation.

Den andra typen av elektroninteraktion som finns i exotiska material är "spin-orbit-koppling-det sätt på vilket elektronens magnetiska moment interagerar med atomer i materialet.

Spinn-omloppskoppling försummades ofta i studierna av cuprate superledare, eftersom många antog att denna typ av elektroninteraktion skulle vara svag jämfört med elektronkorrelation, sa medförfattaren Chiu-Yun Lin, en forskare vid Labs materialvetenskapsavdelning och en doktorsexamen student vid fysiska institutionen vid UC Berkeley. Så när de hittade det ovanliga snurrmönstret, Lin sa att även om de blev positivt överraskade av detta första fynd, de var fortfarande inte säkra på om det var en "sann" inneboende egenskap hos Bi-2212-materialet, eller en yttre effekt orsakad av hur laserljuset interagerade med materialet i experimentet.

Lyser på elektronspinn med SARPES

Under nästan tre år har Gotlieb och Lin använde SARPES -detektorn för att noggrant kartlägga snurrmönstret på Lanzaras labb. När de behövde högre fotonergier för att excitera ett större antal elektroner inom ett prov, forskarna flyttade detektorn intill Berkeley Labs synkrotron, den avancerade ljuskällan (ALS), en amerikansk DOE Office of Science User Facility som specialiserat sig på lägre energi, "mjukt" röntgenljus för att studera materialets egenskaper.

SARPES -detektorn utvecklades av Lanzara, tillsammans med medförfattarna Zahid Hussain, den tidigare ALS -divisionens ställföreträdare, och Chris Jozwiak, en ALS -forskare. Detektorn tillät forskarna att sondera viktiga elektroniska egenskaper hos elektronerna såsom valensbandstruktur.

Efter tiotals experiment på ALS, där forskargruppen kopplade SARPES -detektorn till Beamline 10.0.1 så att de kunde komma åt detta kraftfulla ljus för att utforska elektronernas snurr som rör sig med mycket högre fart genom supraledaren än de de kunde komma åt i labbet, de fann att Bi-2212:s distinkta centrifugeringsmönster-kallat "icke-nollspinn-var ett sant resultat, inspirerar dem att ställa ännu fler frågor. "Det finns många olösta frågor när det gäller högtemperatur supraledning, "sa Lin." Vårt arbete ger ny kunskap för att bättre förstå superledarna, som kan vara en byggsten för att lösa dessa frågor. "

Lanzara tillade att deras upptäckt inte kunde ha hänt utan Berkeley Labs gemensamma "teamvetenskap", ett nationellt laboratorium från DOE med historiska band till närliggande UC Berkeley. "Detta arbete är ett typiskt exempel på vart vetenskap kan gå när människor med expertis inom de vetenskapliga disciplinerna kommer samman, och hur ny instrumentering kan skjuta gränserna för vetenskap, " Hon sa.