Vissa järnbaserade superledare kan ha nytta av en justering, enligt två studier av fysiker och samarbetspartners från Rice University.

"Vårt arbete visar en ny designprincip för att justera kvantmaterial för att uppnå okonventionell supraledning vid högre temperaturer, "sa Rices Qimiao Si, den ledande teoretiska fysikern på studierna, som undersöker ovanliga mönster av supraledning som tidigare har rapporterats i järnselenid.

"Vi visar hur nematiskt, en ovanlig elektronisk order, kan öka chansen att supraledning uppstår från elektronparning i specifika orbitaler, "sa Si, chef för Rice Center for Quantum Materials (RCQM) och Harry C. och Olga K. Wiess professor i fysik och astronomi. "Stämning av material för att förbättra denna effekt kan främja supraledning vid högre temperaturer."

Elektrisk ström värmer ledningar, tack vare jostling av otaliga elektroner, som tappar energi varje gång de stöter på något. Cirka 6 procent av elen på amerikanska elnät går förlorad för denna uppvärmning, eller elektrisk motstånd, varje år. I kontrast, elektronerna i supraledare bildar par som flödar enkelt, utan motstånd eller värme.

Ingenjörer har länge drömt om att utnyttja supraledning för energieffektiva datorer, elnät och mer, men elektroner är ökända ensamstående, den mest studerade medlemmen i en kvantfamilj som kallas fermioner. Fermions är så emot att dela utrymme med varandra att de har varit kända för att tillfälligt blinka ur existensen istället. På grund av deras udda kvantkaraktär, coaxing elektroner för att bilda par kräver ofta extrema förhållanden, som intensivt tryck eller temperaturer kallare än djupt utrymme.

Okonventionell supraledning - den typ som förekommer i material som järnselenid - är annorlunda. Av skäl kan fysiker inte helt förklara, elektroner i okonventionella supraledare bildar par vid relativt höga temperaturer. Beteendet har dokumenterats i dussintals material under de senaste 40 åren. Och medan den exakta mekanismen förblir ett mysterium, fysiker som Si har lärt sig att förutsäga hur okonventionella supraledare kommer att bete sig i vissa situationer.

I de nya studierna, Si, Ris doktorand Haoyu Hu och medarbetare använde en teoretisk modell av "orbital-selektiv parning" för att både förklara tidigare experimentella resultat från järnselenid och för att förutsäga hur det och andra material kommer att bete sig under andra omständigheter. I teamet ingår Haoyu Hu, doktorand vid Rice University, Rong Yu från Renmin University of China, Emilian Nica från Arizona State University och Jian-Xin Zhu från Los Alamos National Laboratory. I sin modell, elektroner i vissa atomskal är mer benägna att bilda par än andra. Si sa att ett sätt att se detta är genom att tänka på atomorbitaler som banor på en motorväg.

"Bilar färdas med olika hastigheter på olika körfält, "sa han." Vi förväntar oss att de i vänstra körfältet rör sig snabbast, men så är det inte alltid. När många bilar är på motorvägen, andra körfält kan röra sig snabbare. Elektronerna i okonventionella supraledare är som bilarna på en fullsatt motorväg. De måste undvika varandra och kan hamna i en fil. Stämning efter elektronisk ordning är ett sätt att samla elektroner till specifika orbitaler, ungefär som motorvägskottarna och spärrarna som leder bilar till specifika körfält. "

Järnbaserade högtemperatur superledare upptäcktes 2008, och Si och medarbetare erbjöd en av de första teorierna för att förklara dem:Kylning av dem till en kvantkritisk punkt ger uttalade korrelerade elektroneffekter, beteenden som uppstår från och bara kan förstås genom att betrakta elektroner som ett kollektivt system snarare än många enskilda objekt.

De nya tidningarna, som dök upp i Fysiska granskningsbrev ( PRL ) och Fysisk granskning B ( PRB ), bygga vidare på forskning Si utfört med Yu och Nica under deras postdoktorala och forskarstudier vid Rice. Under 2013, Si och Yu visade att orbital-selektivt beteende kan orsaka att alkaliska järnselenider samtidigt uppvisar motstridiga egenskaper hos både metaller och isolatorer. År 2017, Si, Nica och kollegor visade att det var möjligt för järn selenider att ha ett supraledande tillstånd där elektronpar associerade med en orbital i en subshell var mycket annorlunda än de hos en närbesläktad orbital i samma delskal.

"I det nuvarande arbetet, vi visade att en nematisk ordning drastiskt förbättrar orbital selektivitet i normaltillstånd vid temperaturer över den supraledande övergångstemperaturen, "sa Yu, huvudförfattare till PRL papper.

I nematiska system, det finns en högre grad av ordning i en riktning än en annan. I en låda med okokt spaghetti, till exempel, nudlarna är inriktade på längden men oordning om de ses i vinkelrät riktning.

För att analysera naturen hos supraledning i närvaro av den nematiska elektroniska ordningen, Yu, Si och kollegor analyserade "supraledande gap, "ett mått som jämför energikostnaderna i samband med att bryta isär elektronpar i nematisk riktning och vinkelrät riktning. Deras beräkningar avslöjade en stor skillnad.

"Våra resultat ger en naturlig förståelse för mycket slående resultat som nyligen rapporterats baserat på noggranna mätningar av supraledande gap i järnselenid med skanningstunnelmikroskopi, "sa Hu, huvudförfattaren till PRB papper.

Si sa att arbetet "belyser samspelet mellan orbital-selektiv parning och elektroniska beställningar, som verkar vara viktiga ingredienser för okonventionell supraledning i både järnbaserade superledare och andra starkt korrelerade kvantmaterial. "