Inom superledningsförmågan-ett materials förmåga att leda elektricitet med praktiskt taget nollmotstånd-är de så kallade högtemperatur superledarna (HTSC) möjliga kandidater för en ny generation av avancerad teknik. En delmängd av dessa, "kupraterna, "som är kristallina material baserade på plan av kopparoxid, är särskilt lovande. Men forskare måste fortfarande lära sig mycket mer om dessa material innan mainstream, rumstemperaturapplikationer är möjliga. För närvarande, även "högtemperatur" superledare måste kylas till mycket, mycket kalla temperaturer enligt vardagliga mått.

Jobbar på US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory, forskare från Brookhaven och University College London upptäckte nyligen något nytt och mycket överraskande om en typ av periodisk elektrisk laddning, som samexisterar med supraledning i kuprater, känd som en laddningsdensitetsvåg (CDW). De fann att den specifika CDW -ordningen inom deras prov "kom ihåg" när provet upprepade gånger värmdes förbi temperaturen där CDW försvinner. Denna upptäckt öppnar en ny väg för forskning om hur dessa spännande material fungerar, föra forskare ett steg närmare en fullständig bild av elektroniskt beteende hos kuprater.

"Det skulle vara som att smälta en hög med isbitar och sedan frysa in dem igen - och upptäcka att de fryser in i en identisk hög med kuber, även nere på mikroskopisk nivå, "förklarade Brookhaven Lab -fysikern Claudio Mazzoli, en av forskarna som deltar i studien. "Ingen skulle förvänta sig att se det."

Mazzoli och hans medforskare beskriver sitt arbete den 29 mars, 2019 onlineutgåva av Nature Communications.

Cupraternas elektroniska beteende, som med alla HTSC, är ganska komplext. Som namnet antyder, elektronerna som utgör en CDW bildar ett periodiskt stående vågmönster. CDW har observerats i nästan alla kuprater, men deras roll i supraledning är fortfarande inte helt förstått. Konkurrerar de med supraledning? Deltar de i det? Hindrar de supraledning på vissa sätt och möjligen bidrar till det på andra? Forskare håller fortfarande på med detta.

"I HTSC, alla arrangemang av elektroner är av intresse för forskare, "sa Brookhaven -fysikern Mark Dean, en annan av tidningens författare. "Målet är att undersöka dessa arrangemang och justera dem - eller kanske ta bort dem - så att materialets supraledande övergångstemperatur kan närma sig, eller kanske överträffa, rumstemperatur. Att göra detta, vi måste lära oss så mycket vi kan om elektronernas beteende och deras strukturer i HTSC. "

En sak som forskare vet är att koppar som innehåller samma kopparoxidplan - men arrangerade på ett lite annorlunda sätt - kan ha CDW med dramatiskt olika egenskaper. Det verkar, sedan, att den del av kristallgitteret som är värd för CDW har en effekt på CDW.

Här, gruppen bestämde sig för att lära sig mer om sambandet mellan materialets gitterstruktur och CDW -beteende. Deras modellsystem var en koppar som kallas LBCO för föreningarna som den innehåller:lantan, barium, koppar, och syre. LBCO har en övergångstemperatur - temperaturen under vilken den visar CDW, och över vilket det inte gör -54 grader Kelvin (K) (även om det motsvarar cirka -360 grader Fahrenheit, denna temperatur är fortfarande relativt hög i superledarvärlden).

Gruppen ville ta reda på hur brister i LBCO kristallgitter kan stabilisera CDW. De var intresserade av en välkänd gitterförvrängning som förekommer i materialet:en lutning i den oktaedriska formen som bildas av bundna koppar- och syreatomer. Denna lutning tenderar att förankra CDW:n till gallret så att det orienteras i en viss riktning; det verkar som om CDW kan vara känslig för de rumsliga inhomogeniteterna, eller domäner, av gallret. Detta förhållande mellan CDW och domänerna, som antyds av temperaturbeteendet som avslöjats i denna studie, kan vara unikt för LBCO. Det kommer att vara mycket viktigt att förstå om detta är en allmän egenskap hos kupraterna.

Gruppen cyklade sitt LBCO -prov genom ett antal temperaturer, uppvärmning och kylning upprepade gånger, medan jag undersöker det med röntgenstrålar vid Brookhaven's National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), en DOE Office of Science User Facility. Vid Coherent Soft X-Ray Scattering (CSX) beamline, de använde en teknik som kallas koherent resonant röntgendiffraktion, där röntgenstrålar sprids från olika domäner i CDW-rumsarrangemanget, stör varandra, och bilda ett "speckle" -mönster som fångas upp av en speciell kamera. Analys av detta mönster ger information om CDW:s funktioner.

Denna uppgift - att direkt observera en CDW medan den spårar dess ändringar, över en rad temperaturer - är tillsammans mycket utmanande, till stor del på grund av de mycket korta avstånden som kännetecknar egenskaperna hos en CDW. NSLS-II är unikt lämpad för denna typ av undersökningar på grund av ljusets sammanhängande karaktär, vilket betyder att ljusvågorna reser i samklang snarare än synkroniserade och röriga. Äldre ljuskällor har inte så mycket sammanhängande strålar.

Fläckanalysen avslöjade att den specifika CDW -ordningen som finns under 54 K återvände även när provet upprepade gånger cyklades genom mycket högre temperaturer, upp till cirka 240 K (cirka -28 ° F). Forskarna tror att de strukturella förändringarna som sker i kristallen under 240 K skapar ett "fästande landskap" som förankrar CDW:n till gallret.

"Vårt arbete öppnar en ny väg för att studera det komplexa samspelet mellan laddning och galler av frihet i supraledande kuprater, "sa tidningens huvudförfattare, Xiaoqian Chen, en forskare vid Brookhavens fysiska och materialvetenskapliga avdelning vid kondenserad materia vid den tidpunkt då denna studie utfördes (hon arbetar nu vid Lawrence Berkeley National Laboratory). "Det är också en bra demonstration av hur NSLS-II kan användas för att studera kvantfaser av material och deras spektakulära, oväntade egenskaper. "

"Detta resultat betonar den viktiga betydelsen av nanoskala-domäners roll vid högtemperatur supraledning. Utan domänpinnande effekter som har observerats, CDW kan bära ström och ytterligare störa supraledningen, "tillade medförfattaren Ian Robinson, en fysiker vid Brookhaven samt vid University College London. "Imaging dessa subtila" fas "domänstrukturer är fortfarande i sin linda och detta arbete belyser behovet av att utveckla bättre bildtekniker så att strukturella detaljer kan ses direkt."