Ett internationellt team ledd av forskare vid Princeton University har direkt observerat en överraskande kvanteffekt i en järninnehållande supraledare med hög temperatur.

Supraledare leder elektricitet utan motstånd, vilket gör dem värdefulla för långdistansöverföring av el och många andra energibesparande tillämpningar. Konventionella supraledare fungerar endast vid extremt låga temperaturer, men vissa järnbaserade material som upptäcktes för ungefär ett decennium sedan kan supraledning vid relativt höga temperaturer och har uppmärksammats av forskare.

Exakt hur supraledning bildas i järnbaserade material är något av ett mysterium, speciellt eftersom järns magnetism verkar komma i konflikt med uppkomsten av supraledning. En djupare förståelse för okonventionella material som järnbaserade supraledare kan så småningom leda till nya tillämpningar för nästa generations energibesparande teknologier.

Forskarna undersökte beteendet hos järnbaserade supraledare när föroreningar - nämligen koboltatomer - läggs till för att utforska hur supraledning bildas och försvinner. Deras resultat ledde till nya insikter i en 60 år gammal teori om hur supraledning beter sig. Studien publicerades i tidskriften Fysiska granskningsbrev Denna vecka.

Att lägga till föroreningar är ett användbart sätt att lära sig om supraledares beteende, sa M. Zahid Hasan, Eugene Higgins professor i fysik vid Princeton University, som ledde forskargruppen. "Det är som hur vi undersöker vågbeteendet hos vatten i sjön genom att kasta en sten, " sa han. "Sättet som de supraledande egenskaperna reagerar på föroreningen avslöjar deras hemligheter med detaljer på kvantnivå."

En långvarig idé känd som Andersons teorem förutspår att även om tillsats av föroreningar kan introducera oordning i en supraledare, i många fall, det kommer inte att förstöra supraledningsförmågan. Teoremet lades fram 1959 av Nobelprisvinnande fysikern Philip Anderson, Princetons Joseph Henry professor i fysik, Emeritus. Men det finns alltid undantag från regeln.

Kobolt verkar vara ett av dessa undantag. Tvärtemot teorin, tillsatsen av kobolt tvingar den järnbaserade supraledaren att förlora sin supraledande förmåga och bli som en vanlig metall, där elektricitet flödar med motstånd och slösar bort sin energi som värme.

Tills nu, det har varit oklart hur detta går till.

För att utforska detta fenomen, Princeton-teamet av forskare använde en teknik som kallas scanning tunneling microscopy, som kan avbilda enskilda atomer, att studera en järnbaserad supraledare gjord av litium, järn och arsenik.

De introducerade icke-magnetiska föroreningar i form av koboltatomer i supraledaren för att se hur den betedde sig.

Forskarna mätte ett stort antal prover vid extremt låga temperaturer, ungefär minus 460 grader Fahrenheit (400 grader milliKelvin), som är kallare än yttre rymden med nästan tio grader Fahrenheit. Under dessa omständigheter, forskarna lokaliserade och identifierade varje koboltatom i kristallgittret, och mätte sedan direkt effekten den hade på supraledningsförmågan i både atomär lokal skala och provets globala supraledande egenskaper.

Att göra detta, forskarna studerade över 30 kristaller i åtta olika koncentrationer vid dessa extremt låga temperaturer med upplösning på atomnivå. "Det finns ingen garanti för att en given kristall kommer att ge oss den högkvalitativa data vi behöver, " sa Songtian Sonia Zhang, en doktorand och medförfattare till studien.

Som ett resultat av detta omfattande experiment, teamet upptäckte att varje koboltatom har en begränsad lokal påverkan som försvinner en atom eller två på avstånd från föroreningen. Dock, det finns en stark, systematisk evolution genom en fasövergång till en normal, icke-supraledande tillstånd när koboltkoncentrationen ökar. Supraledningsförmågan förstörs så småningom helt genom att införa fler koboltatomer.

Superledningsförmåga beror på parningen av två elektroner för att bilda ett enda kvanttillstånd som beskrivs av en egenskap som kallas en vågfunktion. Denna sammankoppling gör att elektronerna kan glida igenom ett material utan det typiska motståndet som händer i vardagliga metaller. Den minsta energi som krävs för att sprida elektronerna och bryta paren kallas det "supraledande energigapet".

När koboltatomer tillsätts, spridningsstyrkan kan beskrivas på två sätt:den starka (eller enhetliga) gränsen och den svaga (eller Born) gränsen. Spridning vid Born-gränsen, uppkallad efter fysikern Max Born, har den svagaste potentialen att störa elektronvågsfunktionerna som är avgörande för elektron-elektron-interaktionen och därmed elektronparningen.

Genom att ersätta järnatomer, koboltatomerna beter sig som Born-limit-spridare. Även om Born-limit-spridare har en relativt svag potential att störa supraledning, när många kombinerar kan de förstöra supraledning.

Forskarna upptäckte att för litiumjärnarsenidmaterialet, spridning vid Born-gränsen kan tydligen bryta mot Andersons teorem, leder till en kvantfasövergång från ett supraledande till ett icke-supraledande tillstånd.

Supraledande material kan beskrivas med en egenskap som kallas tunnelspektrum, som ger en beskrivning av elektronernas beteende i ett material och fungerar som en elektrons energifördelningsprofil. Litiumjärnarsenidmaterialet har en så kallad "S-vågs"-gap som kännetecknas av en platt "U-formad" botten i det supraledande energigapet. Ett helt öppet supraledande gap indikerar kvaliteten på de supraledande materialen.

I en överraskande twist, koboltföroreningarna undertrycker inte bara supraledningsförmågan, de ändrar också karaktären på gapet när det utvecklas från en U-form till en V-form. Formen på det supraledande gapet återspeglar vanligtvis "orderparametern, " som beskriver arten av supraledning. En sådan form är karakteristisk för ordningsparametrar som bara förekommer i ett unikt antal högtemperatursupraledare och antyder extremt okonventionellt beteende.

Den skenbara transformationen genom en ändring av ordningsparametern (t.ex. reflekteras i mätningarna av förändringen i formen på det supraledande gapet) bidrar bara till kvantpusslet.

Denna utveckling är ovanlig och fick forskarna att fördjupa sin undersökning. Genom att kombinera teoretiska beräkningar med magnetiska mätningar, de kunde bekräfta den icke-magnetiska naturen hos koboltspridningen.

Eftersom Andersons teorem säger att icke-magnetiska föroreningar bör ha liten effekt på denna typ av supraledare, forskarna insåg att en alternativ teori måste utvecklas.

I järnbaserade supraledare, Forskare har spekulerat i att det finns en teckenförändring för fasen av supraledande ordningsparameter vid olika "Fermi-fickor" - energiräkningarna som bildas på grund av reglerna som elektroner upptar den kristallina strukturen.

"Naivt, att skilja mellan konventionell supraledning och teckenskiftande supraledning kräver en faskänslig mätning av parametern för supraledande ordning, vilket kan vara extremt utmanande, sade Ilja Belopolski, en postdoktor i Hasans grupp och medförfattare till studien. "En vacker aspekt av vårt experiment är att genom att överväga brott mot Andersons teorem, vi kan komma runt detta krav."

Faktiskt, teamet upptäckte att genom att införa en sådan teckenändring i ordningsparametern för supraledning, de kunde reproducera den udda utvecklingen från koboltföroreningarna. Om man går längre än dessa initiala beräkningar, teamet använde ytterligare tre toppmoderna teoretiska metoder för att demonstrera effekten av de icke-magnetiska koboltspridarna på denna teckenföränderliga supraledare.

"Det faktum att tre olika teoretiska modeller alla pekar på samma förklaring visar att detta är en robust slutsats, " sa Jia-Xin Yin, en postdoktoral forskarassistent och en annan medförstaförfattare till studien. I jakten på att lösa mysterierna med supraledning, komplicerade modeller utvecklas som inte alltid stämmer överens med varandra. I detta fall, Yin sa, "de modelloberoende resultaten slår entydigt fast att detta är en teckenföränderlig exotisk supraledare som inte ursprungligen beaktades av Andersons arbete."