Upptäcktes för mer än 100 år sedan, supraledning fortsätter att fängsla forskare som försöker utveckla komponenter för högeffektiv energiöverföring, ultrasnabb elektronik eller kvantbitar för nästa generations beräkningar. Dock, att avgöra vad som får ämnen att bli – eller sluta vara – supraledare är fortfarande en central fråga för att hitta nya kandidater för denna speciella klass av material.

I potentiella supraledare, det kan finnas flera sätt som elektroner kan ordna sig på. Några av dessa förstärker den supraledande effekten, medan andra hämmar det. I en ny studie, forskare vid U.S. Department of Energys (DOE) Argonne National Laboratory har förklarat hur två sådana arrangemang konkurrerar med varandra och i slutändan påverkar temperaturen vid vilken ett material blir supraledande.

I supraledande tillstånd, elektroner går samman till så kallade Cooper-par, där elektronernas rörelse är korrelerad; i varje ögonblick, hastigheterna för elektronerna som deltar i ett givet par är motsatta. I sista hand, alla elektroners rörelse är kopplad – ingen enskild elektron kan göra sin egen sak – vilket leder till det förlustfria flödet av elektricitet:supraledning.

Rent generellt, ju starkare paren kopplas ihop och desto större antal elektroner som deltar, desto högre blir den supraledande övergångstemperaturen.

Materialen som är potentiella högtemperatursupraledare är inte enkla element, men är komplexa föreningar som innehåller många grundämnen. Det visar sig att, förutom supraledning, elektroner kan uppvisa olika egenskaper vid låga temperaturer, inklusive magnetism eller laddningstäthet vågordning. I en laddningstäthetsvåg, elektroner bildar ett periodiskt mönster av hög och låg koncentration inuti materialet. Elektroner som är bundna i laddningstäthetsvågen deltar inte i supraledning, och de två fenomenen konkurrerar.

"Om du tar bort några elektroner för att lägga in en laddningstäthetsvåg, styrkan på din supraledande effekt kommer att minska, " sa Argonne materialforskare Ulrich Welp, motsvarande författare till studien.

Argonne-teamets arbete är baserat på insikten att laddningstäthetens vågordning och supraledning påverkas olika av defekter i materialet. Genom att introducera störning, forskarna undertryckte en laddningstäthetsvåg, stör det periodiska laddningstäthetsvågmönstret samtidigt som det endast har en liten effekt på supraledning. Detta öppnar ett sätt att ställa in balansen mellan den konkurrerande laddningstäthetens vågordning och supraledning.

Att införa störningar på ett sådant sätt att det försämrade vågtillståndet för laddningstäthet, men lämnade det supraledande tillståndet i stort sett intakt, forskarna använde partikelbestrålning. Genom att träffa materialet med en protonstråle, forskarna slog ut några atomer, ändra den övergripande elektroniska strukturen samtidigt som den kemiska sammansättningen av materialet behålls intakt.

För att få en bild av laddningstäthetsvågornas öde, forskare använde den senaste röntgenspridningen vid Argonnes Advanced Photon Source (APS), en användaranläggning för DOE Office of Science, och Cornell High Energy Synchrotron Source. "Röntgenspridning var avgörande för att observera finesserna i denna elektroniska ordning i materialet, ", sade Argonne-fysikern och studieförfattaren Zahir Islam. "Vi upptäckte att en utspädd koncentration av oordnade atomer verkligen minskade laddningstäthetsvågen för att förbättra supraledning."

Enligt islam, medan den nuvarande briljansen hos APS möjliggjorde systematiska studier av laddningstäthetsvågor från små enkristallprov trots dess relativt svaga spridningsstyrka, den kommande planerade uppgraderingen av anläggningen kommer att ge forskarna största känslighet för att observera dessa fenomen. Vidare, han sa, forskare kommer att dra nytta av att studera dessa material i extrema miljöer, särskilt, under höga magnetfält för att tippa balansen till förmån för laddningstäthetsvågor för att få nödvändiga insikter om supraledning vid hög temperatur.

I forskningen, forskarna undersökte ett material som kallas lantan barium kopparoxid (LBCO). I detta material, den supraledande temperaturen rasade nästan till absoluta nollpunkten (-273 grader Celsius) när materialet uppnådde en viss kemisk sammansättning. Dock, för närbesläktade kompositioner, övergångstemperaturen förblev relativt hög. Forskarna tror att denna effekt av kylande supraledning beror på närvaron av laddningstäthetsvågor och att undertryckande av laddningstäthetsvågen kan inducera ännu högre övergångstemperaturer.

Med laddningstäthetsvågor försämrade av störning, supraledning skördar fördelen, Wai-Kwong Kwok, Argonne Distinguished Fellow och studieförfattare, förklarade. "Från supraledarens perspektiv, min fiendes fiende är verkligen min vän, " han sa.

Ett papper baserat på studien, "Störning höjer den kritiska temperaturen hos en kupratsupraledare, " dök upp i onlinenumret av den 13 maj Proceedings of the National Academy of Sciences .