Ett av de största mysterierna inom den kondenserade materiens fysik är det exakta förhållandet mellan laddningsordning och supraledning i kupratsupraledare. I supraledare, elektroner rör sig fritt genom materialet - det finns noll motstånd när det kyls under sin kritiska temperatur. Dock, kupraterna uppvisar samtidigt supraledning och laddningsordning i mönster av alternerande ränder. Detta är paradoxalt eftersom laddningsordningen beskriver områden med instängda elektroner. Hur kan supraledning och laddningsordning samexistera?

Nu forskare vid University of Illinois i Urbana-Champaign, samarbetar med forskare vid SLAC National Accelerator Laboratory, har kastat nytt ljus över hur dessa olika tillstånd kan existera intill varandra. Illinois Physics post-doc forskare Matteo Mitrano, Professor Peter Abbamonte, och deras team tillämpade en ny teknik för röntgenspridning, tidsupplöst resonansmjuk röntgenspridning, dra nytta av den senaste utrustningen på SLAC. Denna metod gjorde det möjligt för forskarna att undersöka den randiga laddningsordningens fas med en oöverträffad energiupplösning. Detta är första gången detta har gjorts i en energiskala som är relevant för supraledning.

Forskarna mätte fluktuationerna i laddningsordningen i en prototypisk kopparoxidsupraledare, La _2-x Ba _x CuO ₄ (LBCO) och fann att fluktuationerna hade en energi som matchade materialets supraledande kritiska temperatur, antyder den supraledningsförmågan i detta material – och genom extrapolering, i cuprates-kan förmedlas av laddningsordningsfluktuationer.

Forskarna visade vidare att om laddningsordern smälter, elektronerna i systemet kommer att reformera de randiga områdena i laddningsordningen inom tiotals pikosekunder. Som det visar sig, denna process följer en universell skalningslag. För att förstå vad de såg i sitt experiment, Mitrano och Abbamonte vände sig till Illinois fysikprofessor Nigel Goldenfeld och hans doktorand Minhui Zhu, som kunde tillämpa teoretiska metoder lånade från mjuk kondenserad materiens fysik för att beskriva bildningen av de randiga mönstren.

Dessa fynd publicerades den 16 augusti, 2019, i nättidningen Vetenskapens framsteg .

Cuprates har ränder

Betydelsen av detta mysterium kan förstås inom ramen för forskning i högtemperatursupraledare (HTS), specifikt cuprates—skiktade material som innehåller kopparkomplex. Cuprates, några av de första upptäckta HTS, har betydligt högre kritiska temperaturer än "vanliga" supraledare (t.ex. aluminium- och blysupraledare har en kritisk temperatur under 10 K). På 1980-talet LBCO, en kuprat, visade sig ha en supraledande kritisk temperatur på 35 K (-396°F), en upptäckt som Bednorz och Müller vann Nobelpriset för.

Den upptäckten utlöste en flod av forskning om cuprates. I tid, forskare fann experimentella bevis på inhomogeniteter i LBCO och liknande material:isolerande och metalliska faser som existerade samtidigt. 1998, Illinois fysikprofessor Eduardo Fradkin, Stanford professor Steven Kivelson, och andra föreslog att Mott-isolatorer - material som borde leda under konventionell bandteori men isolerar på grund av repulsion mellan elektroner - kan ta emot ränder av laddningsordning och supraledning. La ₂ CuO ₄ , moderföreningen till LBCO, är ett exempel på en Mott-isolator. När Ba läggs till den föreningen, ersätter några La-atomer, ränder bildas på grund av den spontana organiseringen av hål - vakanser av elektroner som fungerar som positiva laddningar.

Fortfarande, andra frågor angående rändernas beteende återstod. Är laddningsområdena orörliga? Svänger de?

"Den konventionella uppfattningen är att om du lägger till dessa dopade hål, de lägger till en statisk fas som är dålig för supraledning – du fryser hålen, och materialet kan inte bära elektricitet, " kommenterar Mitrano. "Om de är dynamiska - om de fluktuerar - så finns det sätt på vilka hålen kan hjälpa till vid högtemperatursupraledning."

Undersöker fluktuationerna i LBCO

För att förstå exakt vad ränderna gör, Mitrano och Abbamonte tänkte på ett experiment för att smälta laddningsordningen och observera processen för dess reformering i LBCO. Mitrano och Abbamonte ombildade en mätteknik som kallas resonant oelastisk röntgenspridning, lägga till ett tidsberoende protokoll för att observera hur laddningsordern återställs under en varaktighet av 40 pikosekunder. Teamet sköt en laser på LBCO-provet, att ge extra energi till elektronerna för att smälta laddningsordningen och införa elektronisk homogenitet.

"Vi använde en ny typ av spektrometer utvecklad för ultrasnabba källor, eftersom vi gör experiment där våra laserpulser är extremt korta, " Mitrano förklarar. "Vi utförde våra mätningar vid Linac Coherent Light Source på SLAC, ett flaggskepp inom detta undersökningsområde. Våra mätningar är två storleksordningar känsligare i energi än vad som kan göras på någon annan konventionell spridningsanläggning."

Abbamonte tillägger, "Det som är innovativt här är att använda tidsdomänspridning för att studera kollektiva excitationer på sub-meV-energiskalan. Denna teknik demonstrerades tidigare för fononer. Här, vi har visat att samma tillvägagångssätt kan tillämpas på excitationer i valensbandet."

Tips på en mekanism för supraledning

Det första signifikanta resultatet av detta experiment är att laddningsordningen faktiskt fluktuerar, rör sig med en energi som nästan matchar den energi som fastställs av den kritiska temperaturen för LBCO. Detta tyder på att Josephson-koppling kan vara avgörande för supraledning.

Tanken bakom Josephson-effekten, upptäcktes av Brian Josephson 1962, är att två supraledare kan kopplas ihop via en svag länk, typiskt en isolator eller en normal metall. I denna typ av system, supraledande elektroner kan läcka från de två supraledarna in i den svaga länken, genererar inom den en ström av supraledande elektroner.

Josephson-koppling ger en möjlig förklaring till kopplingen mellan supraledning och randiga områden med laddningsordning, varvid ränderna fluktuerar så att supraledning läcker in i laddningsområdena, de svaga länkarna.

Att lyda universella skalningslagar för mönsterbildning

Efter att ha smält laddningsordningen, Mitrano och Abbamonte mätte återhämtningen av ränderna när de utvecklades med tiden. När åtalsbeslutet närmade sig sitt fullständiga återhämtning, det följde ett oväntat tidsberoende. Detta resultat liknade inte det som forskarna hade stött på tidigare. Vad skulle kunna förklara detta?

Svaret är lånat från fältet för mjuk kondenserad materiens fysik, och mer specifikt från en skalningsteori som Goldenfeld hade utvecklat två decennier innan för att beskriva mönsterbildning i vätskor och polymerer. Goldenfeld och Zhu visade ränderna i LBCO återhämta sig enligt en universell, dynamisk, självliknande skalningslag.

Goldenfeld förklarar, "I mitten av 1990-talet, forskare hade en förståelse för hur enhetliga system närmar sig jämvikt, men vad sägs om randsystem? Jag arbetade med den här frågan för ungefär 20 år sedan, tittar på mönstren som uppstår när en vätska värms upp underifrån, såsom de hexagonala fläckarna av cirkulerande, uppväxande vita fläckar i het misosoppa. Under vissa omständigheter bildar dessa system ränder av cirkulerande vätska, inte fläckar, analogt med elektronernas randmönster i kupratsupraledarna. Och när mönstret formas, den följer en universell skalningslag. Detta är precis vad vi ser i LBCO när den reformerar sin ordningsföljd."

Genom sina beräkningar, Goldenfeld och Zhu kunde belysa processen med tidsberoende mönsterreformering i Mitrano och Abbamontes experiment. Ränderna reformeras med ett logaritmiskt tidsberoende - en mycket långsam process. Efterlevnad av skalningslagen i LBCO innebär vidare att den innehåller topologiska defekter, eller oregelbundenheter i dess gallerstruktur. Detta är det andra signifikanta resultatet från detta experiment.

Zhu kommenterar, "Det var spännande att få vara en del av denna samarbetsforskning, arbeta med fasta tillståndsfysiker, men att tillämpa tekniker från mjuk kondenserad materia för att analysera ett problem i ett starkt korrelerat system, som supraledning vid hög temperatur. Jag bidrog inte bara med mina beräkningar, men också fått ny kunskap från mina kollegor med olika bakgrund, och på så sätt fått nya perspektiv på fysiska problem, såväl som nya sätt att tänka vetenskapligt."

I framtida forskning, Mitrano, Abbamonte, och Goldenfeld planerar att ytterligare undersöka fysiken för laddningsordningsfluktuationer med målet att fullständigt smälta laddningsordningen i LBCO för att observera fysik för bandbildning. De planerar också liknande experiment med andra kuprater, inklusive yttriumbarium-kopparoxidföreningar, mer känd som YBCO.

Goldenfeld ser detta och framtida experiment som sådana som skulle kunna katalysera ny forskning inom HTS:"Det vi lärde oss under de 20 åren sedan Eduardo Fradkin och Steven Kivelsons arbete med periodisk modulering av laddning är att vi bör tänka på HTS som elektroniska flytande kristaller, " säger han. "Vi börjar nu tillämpa den mjuka kondenserade materiens fysik hos flytande kristaller på HTS för att förstå varför den supraledande fasen finns i dessa material."