Forskare som försökte förstå mekanismen bakom supraledning i "randordnade" kuprater - kopparoxidmaterial med alternerande områden av elektrisk laddning och magnetism - upptäckte ett ovanligt metalliskt tillstånd när de försökte stänga av supraledning. De fann att under villkoren för deras experiment, även efter att materialet förlorar sin förmåga att bära elektrisk ström utan energiförlust, den behåller viss konduktivitet – och möjligen elektronparen (eller hålen) som krävs för dess supraledande superkraft.

"Detta arbete ger indicier för att det randordnade arrangemanget av laddningar och magnetism är bra för att bilda de laddningsbärarpar som krävs för att supraledning ska uppstå, sade John Tranquada, en fysiker vid det amerikanska energidepartementets Brookhaven National Laboratory.

Tranquada och hans medförfattare från Brookhaven Lab och National High Magnetic Field Laboratory vid Florida State University, där en del av arbetet utfördes, beskriv deras resultat i en tidning som just publicerats i Vetenskapens framsteg . En relaterad artikel i Proceedings of the National Academy of Sciences av medförfattare Alexei Tsvelik, en teoretiker vid Brookhaven Lab, ger en inblick i den teoretiska grunden för observationerna.

Forskarna studerade en speciell formulering av lantanbarium-kopparoxid (LBCO) som uppvisar en ovanlig form av supraledning vid en temperatur på 40 Kelvin (-233 grader Celsius). Det är relativt varmt i supraledarnas rike. Konventionella supraledare måste kylas med flytande helium till temperaturer nära -273°C (0 Kelvin eller absolut noll) för att leda ström utan energiförlust. Att förstå mekanismen bakom sådan "hög temperatur" supraledning kan vägleda upptäckten eller strategisk design av supraledare som arbetar vid högre temperaturer.

"I princip, sådana supraledare skulle kunna förbättra den elektriska kraftinfrastrukturen med kraftöverföringsledningar med noll energiförlust, "Tranquada sa, "eller användas i kraftfulla elektromagneter för applikationer som magnetisk resonanstomografi (MRI) utan behov av dyr kylning."

Mysteriet med hög-Tc

LBCO var den första superledaren med hög temperatur (hög-Tc) som upptäcktes, för cirka 33 år sedan. Den består av lager av kopparoxid åtskilda av lager bestående av lantan och barium. Barium bidrar med färre elektroner än lantan till kopparoxidskikten, så i ett visst förhållande, obalansen lämnar tomma elektroner, känd som hål, i kupratplanen. Dessa hål kan fungera som laddningsbärare och paras ihop, precis som elektroner, och vid temperaturer under 30K, ström kan röra sig genom materialet utan motstånd i tre dimensioner – både inom och mellan lagren.

En udda egenskap hos detta material är att, i kopparoxidskikten, vid den speciella bariumkoncentrationen, hålen segregeras till "ränder" som alternerar med områden med magnetisk inriktning. Sedan denna upptäckt, 1995, Det har varit mycket debatt om vilken roll dessa ränder spelar för att inducera eller hämma supraledning.

Under 2007, Tranquada och hans team upptäckte den mest ovanliga formen av supraledning i detta material vid den högre temperaturen på 40K. Om de ändrade mängden barium till att vara strax under den mängd som tillät 3D-supraledning, de observerade 2-D supraledning – vilket betyder precis inom kopparoxidskikten men inte mellan dem.

"De supraledande lagren verkar frikopplas från varandra, "Tsvelik, teoretikern, sa. Strömmen kan fortfarande flyta utan förlust i någon riktning inom lagren, men det finns resistivitet i riktningen vinkelrät mot skikten. Denna observation tolkades som ett tecken på att laddningsbärarpar bildade "pardensitetsvågor" med orienteringar vinkelräta mot varandra i angränsande lager. "Det är därför paren inte kan hoppa från lager till ett annat. Det skulle vara som att försöka smälta samman i trafik som rör sig i en vinkelrät riktning. De kan inte smälta samman, sa Tsvelik.

Supraledande ränder är svåra att döda

I det nya experimentet, forskarna dök djupare in i att utforska ursprunget till den ovanliga supraledningsförmågan i den speciella formuleringen av LBCO genom att försöka förstöra den. "Ofta gånger testar vi saker genom att få dem att misslyckas, ", sa Tranquada. Deras metod för förstörelse var att exponera materialet för kraftfulla magnetfält som genererades i Florida State.

"När det yttre fältet blir större, strömmen i supraledaren blir större och större för att försöka eliminera magnetfältet, " Tranquada förklarade. "Men det finns en gräns för strömmen som kan flyta utan motstånd. Att hitta den gränsen borde berätta något om hur stark supraledaren är."

Till exempel, om ränderna av laddningsordning och magnetism i LBCO är dåliga för supraledning, ett blygsamt magnetfält borde förstöra det. "Vi trodde att laddningen kanske skulle frysa i ränderna så att materialet skulle bli en isolator, " sa Tranquada.

Men supraledningsförmågan visade sig vara mycket mer robust.

Med hjälp av perfekta kristaller av LBCO odlade av Brookhaven-fysikern Genda Gu, Yangmu Li, en postdoktor som arbetar i Tranquadas labb, gjorde mätningar av materialets resistans och konduktivitet under olika förhållanden vid National High Magnetic Field Laboratory. Vid en temperatur strax över absoluta nollpunkten utan magnetfält närvarande, materialet som ställs ut fullt, 3-D supraledning. Hålla temperaturen konstant, forskarna var tvungna att öka det externa magnetfältet avsevärt för att få 3D-supraledningsförmågan att försvinna. Ännu mer överraskande, när de ökade fältstyrkan ytterligare, motståndet inom kopparoxidplanen gick ner till noll igen!

"Vi såg samma 2D-supraledning som vi upptäckt vid 40K, " sa Tranquada.

Att rampa upp fältet förstörde ytterligare 2D-supraledningsförmågan, men det förstörde aldrig helt materialets förmåga att bära vanlig ström.

"Motståndet växte men planade sedan ut, " noterade Tranquada.

Tecken på ihållande par?

Ytterligare mätningar gjorda under det högsta magnetiska fältet indikerade att laddningsbärarna i materialet, fastän inte längre supraledande, kan fortfarande existera som par, sa Tranquada.

"Materialet blir en metall som inte längre avleder strömflödet, " sa Tsvelik. "När du har en ström i ett magnetfält, du kan förvänta dig en viss avböjning av laddningarna – elektroner eller hål – i riktningen vinkelrät mot strömmen [det som forskare kallar Hall-effekten]. Men det är inte vad som händer. Det finns ingen avböjning."

Med andra ord, även efter att supraledningsförmågan förstörs, materialet behåller en av nyckelsignaturerna för "pardensitetsvågen" som är karakteristisk för det supraledande tillståndet.

"Min teori relaterar närvaron av de laddningsrika ränderna med förekomsten av magnetiska moment mellan dem till bildandet av pardensitetsvågtillståndet, ", sa Tsvelik. "Observationen av ingen laddningsavböjning vid högt fält visar att magnetfältet kan förstöra koherensen som behövs för supraledning utan att nödvändigtvis förstöra pardensitetsvågen."

"Tillsammans ger dessa observationer ytterligare bevis på att ränderna är bra att para ihop, ", sa Tranquada. "Vi ser 2D-supraledningsförmågan återuppstå vid högt fält och sedan, på ett ännu högre fält, när vi förlorar 2-D supraledning, materialet blir inte bara en isolator. Det flyter fortfarande en del ström. Vi kan ha tappat sammanhängande rörelse av par mellan ränderna, men vi kan fortfarande ha par inom ränderna som kan röra sig osammanhängande och ge oss ett ovanligt metalliskt beteende."