Cuprates, en klass av kopparoxidkeramik som delar en gemensam byggsten av koppar- och syreatomer i ett platt fyrkantigt galler, har studerats för deras förmåga att vara superledande vid relativt höga temperaturer. I sitt orörda tillstånd, dock, de är en speciell typ av isolator (ett material som inte lätt leder elektricitet) som kallas en Mott -isolator.

När elektriska laddningsbärare - antingen elektroner eller bristen på elektroner, kallas "hål" - läggs till en isolator i en process som kallas dopning, isolatorn kan bli en metall, som lätt leder elektricitet, eller en halvledare, som kan leda el beroende på miljön. Cuprates, dock, beter sig varken som en normal isolator eller som en normal metall på grund av starka interaktioner mellan deras elektroner. För att undvika de stora energikostnaderna som följer av dessa interaktioner, elektronerna organiserar spontant i ett kollektivt tillstånd där rörelsen för varje partikel är knuten till alla andra.

Ett exempel är supraledande tillstånd, där elektroner rör sig samstämmigt och driver med noll nätfriktion när en potential appliceras, ett nollmotståndstillstånd som är en definierande egenskap hos en superledare. En annan kollektiv elektronisk stat är en "laddningsdensitetsvåg, "en term som myntats från den vågliknande moduleringen i elektronernas densitet, där elektroner "fryser" till periodiska och statiska mönster, hindrar samtidigt elektronflödet. Detta tillstånd är antagonistiskt mot det supraledande tillståndet, och, därför, viktigt att studera och förstå. I cuprates, laddningstäthetsvågor föredrar att anpassa sig till atomraderna av koppar och syreatomer som utgör den underliggande kristallstrukturen, med våg "" toppar "som inträffar var tredje till fem enhetsceller, beroende på material och dopningsnivå.

Med hjälp av en teknik som kallas resonant röntgenspridning för att studera dessa laddningstäthetsvågor i två olika kopparföreningar, neodym kopparoxid (Nd ₂ CuO ₄ eller NCO) och praseodymiumkopparoxid (Pr ₂ CuO ₄ eller PCO) dopad med extra elektroner, MIT -forskare gjorde en oväntad upptäckt. Deras arbete avslöjade en fas av materialet där elektronerna faller i en störd, eller "glasartad, " arrangemang, kallade ett "Wignerglas". Resultaten publicerades nyligen i en artikel i Naturfysik .

Resonant röntgenspridning är en nyligen utvecklad diffraktionsteknik där kristallografi utförs på elektroner snarare än uteslutande på atomerna som vid konventionell röntgendiffraktion. "I gränsen för låg koncentration av dopade elektroner, vi observerade en helt ny och oväntad form av elektronisk fas som varken är en superfluid eller en kristall, men det har snarare egenskaperna hos ett Wigner -glas. I denna fas, elektronerna bildar ett kollektivt tillstånd utan någon orienteringspreferens, "säger tidningens författare Riccardo Comin, biträdande professor i fysik vid MIT. Ett sådant amorft elektronglas är helt utan motstycke i denna materialfamilj, han lägger till.

Detta fenomen dyker bara upp i ett smalt fönster av elektrondopning. "Spännande, detta exotiska nya tillstånd existerar bara i en liten region i det elektroniska fasdiagrammet för detta material, och när fler elektroner dopas i [kopparoxid] -planen, en mer konventionell elektronisk kristall återvinns, vars krusningar anpassar sig till de kristallografiska axlarna för det underliggande atomgitteret, "Min Gu Kang, tidningens huvudförfattare, förklarar.

MIT -teamet, bestående av Comin, doktorand Kang, och postdoc Jonathan Pelliciari, designade projektet och ledde majoriteten av experimenten. Deras forskning möjliggjordes av bidrag från forskare vid olika institutioner och anläggningar över hela världen. Resonanta röntgenspridningsmätningar utfördes vid flera synkrotronanläggningar inklusive Berlin Electron Storage Ring i Tyskland, den kanadensiska ljuskällan i Saskatoon, Saskatchewan, Kanada, och den avancerade ljuskällan, i Berkeley, Kalifornien. Tunnfilmsproverna av kopparoxid odlades vid NTT Basic Research Laboratories i Japan. Teoretisk analys utvecklades av forskare vid Indian Institute of Science i Indien.

Comin noterar att den föreslagna teorin förklarar rollen för den elektroniska bandstrukturen för att reglera det periodiska avståndet och bristen på orienteringspreferens för densitetsvågorna som en funktion av dopningsnivån i detta material. "Vår teori antyder att dessa elektroniska krusningar initialt bildas med oregelbundna former och sannolikt är kärnkraftiga runt defekter eller föroreningar i materialet, "Comin säger." När bärartätheten ökar, elektronerna lyckas hitta ett mer ordnat arrangemang som minimerar systemets totala energi, därigenom återställa de mer konventionella laddningstäthetsvågorna som har observerats universellt i alla familjer av kopparoxid-superledare. "

"Jag blev helt förbluffad av Riccardos resultat på NCO och PCO, "säger Peter Abbamonte, Fox Family Professor in Engineering vid University of Illinois i Urbana-Champaign, som utvecklade den resonanta mjuka röntgenspridningstekniken. Att notera att laddningsdensitetsvågens (CDW) ordning i cuprates har stått i mitten av fältet i drygt ett decennium, Abbamonte, som inte var inblandad i denna forskning, förklarar att den tidigare förståelsen har varit att CDW -ordern är fäst vid kristallgitteret, vilket betyder att laddningstäthetsvåg måste peka i endera av två vinkelräta riktningar, men ingenstans däremellan. Denna konventionella visdom bygger på två decennier av resonant spridning och skanning av tunnelmikroskopi -experiment som alltid har funnit att så är fallet, konstaterar han.

Comins forskning om just dessa elektrondopade koppar visade att laddningsordern under den glasartade fasen kan peka åt alla håll, oberoende av kristallgitteret som den lever i. "Det mer exakta påståendet är att CDW-orderparametern inte är Ising-liknande (det vill säga tar endast diskreta värden, i detta fall två:x eller y), som alltid har antagits, men är mer som en XY-beställningsparameter (det vill säga fritt att välja valfritt värde på ett kontinuerligt område, som alla riktningar mellan x och y som är fallet här) som endast är svagt påverkad av kristallen, "Säger Abbamonte.

"Det kommer att ta lite tid för samhället att fullständigt smälta denna insikt och dess konsekvenser för att förstå relevansen av CDW -order, "Abbamonte tillägger." Det som är klart är att Riccardos papper kommer att leda till en seriös omräkning av spelreglerna, och i den meningen är det ett stort framsteg för fältet. "

Superledare har en enorm, i stort sett outnyttjad potential för transformativa applikationer som kvantberäkning, förlustfri energitransport, magnetisk avkänning och medicinsk diagnostisk avbildning, och plasma- och kärnfusionstekniker.

"Övergripande, vår studie har avslöjat ännu en manifestation av laddningsbärares utsökta kvantkaraktär i högtemperatur superledare, som slutligen härrör från arten av de elektroniska interaktionerna, "Comin säger." Det detaljerade beteendet hos elektroner som avslöjats i detta arbete ger ny insikt om hur högtemperatur supraledning föds ur en Mott-isolator, och lovar att överbrygga ett gap mellan regionerna i fasdiagrammet med mycket kontrasterande fenomenologier. "

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.