När flera processer pågår samtidigt, Det är svårt att etablera samband mellan orsak och verkan. Detta scenario gäller för en klass av högtemperatur superledare som kallas kupraterna. Upptäckte för nästan 35 år sedan, dessa koppar-syreföreningar kan leda elektricitet utan motstånd under vissa förhållanden. De måste vara kemiskt modifierade ("dopade") med ytterligare atomer som inför elektroner eller hål (elektron vakanser) i kopparoxidlagren och kyls till temperaturer under 100 Kelvin-betydligt varmare temperaturer än de som behövs för konventionella superledare. Men exakt hur elektroner övervinner deras ömsesidiga avstötning och parar ihop sig för att flöda fritt i dessa material är fortfarande en av de största frågorna inom kondensmaterialets fysik. Högtemperatur supraledning (HTS) är bland många fenomen som uppstår på grund av starka interaktioner mellan elektroner, gör det svårt att avgöra varifrån det kommer.

Det är därför fysiker vid US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory studerar en välkänd kopp som innehåller lager av vismutoxid, strontiumoxid, kalcium, och kopparoxid (BSCCO) bestämde sig för att fokusera på den mindre komplicerade "överdopade" sidan, dopa materialet så mycket att supraledning så småningom försvinner. Som de rapporterade i en artikel publicerad den 29 januari Naturkommunikation , detta tillvägagångssätt gjorde det möjligt för dem att identifiera att rent elektroniska interaktioner sannolikt leder till HTS.

"Superledning i cuprates samexisterar vanligtvis med periodiska arrangemang av elektrisk laddning eller centrifugering och många andra fenomen som antingen kan konkurrera med eller underlätta supraledning, komplicerar bilden, "förklarade författaren Tonica Valla, en fysiker i Electron Spectroscopy Group i Brookhaven Labs division för kondenserad materia fysik och materialvetenskap. "Men dessa fenomen försvagas eller försvinner helt med överdopning, lämnar inget annat än supraledning. Således, detta är den perfekta regionen för att studera ursprunget till supraledning. Våra experiment har avslöjat en interaktion mellan elektroner i BSCCO som korrelerar en till en med supraledning. Superledning uppstår exakt när denna interaktion först uppstår och blir starkare när interaktionen stärks. "

Först nyligen har det blivit möjligt att överdosera kopparprover bortom den punkt där supraledning försvinner. Tidigare, en bulkkristall av materialet skulle glödgas (upphettas) i högtryckssyrgas för att öka koncentrationen av syre (dopningsmaterialet). Den nya metoden - som Valla och andra Brookhaven -forskare först visade för ungefär ett år sedan på OASIS, ett nytt instrument på plats för provberedning och karakterisering-använder ozon istället för syre för att glöda klyvda prover. Klyvning avser att bryta kristallen i vakuum för att skapa perfekt plana och rena ytor.

"Ozonets oxidationskraft, eller dess förmåga att ta emot elektroner, är mycket starkare än molekylärt syre, "förklarade medförfattaren Ilya Drozdov, en fysiker i divisionens Oxide Molecular Beam Epitaxy (OMBE) -grupp. "Detta innebär att vi kan föra in mer syre i kristallen för att skapa fler hål i kopparoxidplanen, där supraledning uppstår. På OASIS, vi kan överdosera ytskikt av materialet hela vägen till det icke -ledande området och studera de resulterande elektroniska excitationerna. "

OASIS kombinerar ett OMBE-system för odling av tunna filmer med vinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi (ARPES) och spektroskopisk bildskanningstunnelmikroskopi (SI-STM) för att studera dessa filmars elektroniska struktur. Här, material kan odlas och studeras med samma anslutna ultrahöga vakuumsystem för att undvika oxidation och kontaminering av koldioxid, vatten, och andra molekyler i atmosfären. Eftersom ARPES och SI-STM är extremt ytkänsliga tekniker, orörda ytor är avgörande för att få noggranna mätningar.

För denna studie, medförfattare Genda Gu, en fysiker i divisionens Neutron Scattering Group, växte bulk BSCCO -kristaller. Drozdov glödgade de klyvda kristallerna i ozon i OMBE -kammaren vid OASIS för att öka dopningen tills supraledningsförmågan försvann helt. Samma prov glöddes sedan i vakuum för att gradvis minska dopningen och öka övergångstemperaturen vid vilken supraledning uppstår. Valla analyserade den elektroniska strukturen för BSCCO över detta fasdiagram för dopningstemperatur genom ARPES.

"ARPES ger dig den mest direkta bilden av den elektroniska strukturen av något material, "sa Valla." Ljuset väcker elektroner från ett prov, och genom att mäta deras energi och vinkeln vid vilken de flyr, du kan återskapa elektronernas energi och fart medan de fortfarande var i kristallen. "

Vid mätning av denna energi-mot-momentum-relation, Valla upptäckte en knäck (anomali) i den elektroniska strukturen som följer den supraledande övergångstemperaturen. Knäcken blir mer uttalad och övergår till högre energier när denna temperatur ökar och superledningen blir starkare, men försvinner utanför det supraledande tillståndet. På grundval av denna information, han visste att interaktionen som skapar elektronpar som krävs för supraledning inte kan vara elektron-fononkoppling, som teoretiserad för konventionella supraledare. Enligt denna teori, fononer, eller vibrationer av atomer i kristallgitteret, tjäna som en attraktiv kraft för annars frånstötande elektroner genom utbyte av momentum och energi.

"Vårt resultat tillät oss att utesluta elektron-fononkoppling eftersom atomer i gitteret kan vibrera och elektroner kan interagera med dessa vibrationer, oavsett om materialet är supraledande eller inte, "sa Valla." Om fononer var inblandade, vi förväntar oss att se knäcken i både supraledande och normalt tillstånd, och knäcken skulle inte förändras med dopning. "

Teamet tror att något som liknar elektron-fononkoppling pågår i det här fallet, men istället för fononer, en annan excitation växlas mellan elektroner. Det verkar som att elektroner interagerar genom spinnfluktuationer, som är relaterade till elektronerna själva. Snurrfluktuationer är förändringar i elektronspinn, eller hur elektroner pekar antingen uppåt eller nedåt som små magneter.

Dessutom, forskarna fann att kinkens energi är mindre än den för en karakteristisk energi vid vilken en skarp topp (resonans) i spinnfluktuationsspektrumet uppträder. Deras fynd tyder på att början av spinnfluktuationer (i stället för resonansstoppen) är ansvarig för den observerade knäcken och kan vara "limet" som binder elektroner till de par som krävs för HTS.

Nästa, laget planerar att samla in ytterligare bevis som visar att spinnfluktuationer är relaterade till supraledning genom att erhålla SI-STM-mätningar. De kommer också att utföra liknande experiment på en annan välkänd koprat, lantanstrontiumkopparoxid (LSCO).

"För första gången, vi ser något som starkt korrelerar med supraledning, "sa Valla." Efter alla dessa år, vi har nu ett bättre grepp om vad som kan orsaka supraledning i inte bara BSCCO utan även andra kuprater. "