Detta schematiska diagram kartlägger bindningsenergin (eller supraledande energigapet) för enskilda elektroner i en kopparoxid (kuprat) superledare mätt med ett känsligt mikroskop som skannar över ytan. Storleken på de blå och gula klumparna som omger enskilda atomer (röda stavar med pilspetsar som indikerar deras rotationsorienteringar) indikerar storleken på energigapet (ju större blobbar desto större gap och starkare elektron-parbindning på den platsen). Observera hur när du skannar över horisontella rader, mönstret ökar till ett maximum, minskar sedan till ett minimum (inga klumpar), ökar till ett annat maximalt med motsatt orientering (gula och blå fläckar växlade) och sedan ett minimum igen, upprepa detta mönster var åtta rader. Dessa moduleringar är det första direkta beviset på en "pardensitetsvåg, "ett tillstånd av materia som samexisterar med supraledning och kan spela en roll i dess framväxt. Kredit:Brookhaven National Laboratory
I åratal har fysiker försökt att dechiffrera de elektroniska detaljerna för högtemperatur superledare. Dessa material kan revolutionera energitransmission och elektronik på grund av deras förmåga att bära elektrisk ström utan energiförlust när de kyls under en viss temperatur. Detaljer om "hög-Tc" superledares mikroskopiska elektroniska struktur kan avslöja hur olika faser (materia-tillstånd) konkurrerar eller interagerar med supraledning-ett tillstånd där likadlade elektroner på något sätt övervinner deras avstötning att para ihop sig och flöda fritt. Det slutliga målet är att förstå hur man får dessa material att fungera som supraledare utan behov av superkylning.
Nu har forskare som studerar hög-Tc-superledare vid U.S. Department of Energy's Brookhaven National Laboratory definitiva bevis för att det finns ett tillstånd av tillstånd som kallas en pardensitetsvåg-först förutsagt av teoretiker för ungefär 50 år sedan. Deras resultat, publicerad i tidningen Natur , visa att denna fas samexisterar med supraledning i en välkänd vismutbaserad kopparoxid-superledare.
"Detta är det första direkta spektroskopiska beviset för att pardensitetsvåg existerar vid noll magnetfält, "sa Kazuhiro Fujita, fysikern som ledde forskningen vid Brookhaven Lab. "Vi har identifierat att pardensitetsvågen spelar en viktig roll i detta material. Våra resultat visar att dessa två tillstånd av materia - pardensitetsvåg och supraledning - existerar och samverkar."
Teamets resultat kommer från mätningar av enstaka elektroners tunnelspektra med hjälp av ett toppmodern spektroskopiskt avbildande skanningstunnelmikroskop (SI-STM) i Brookhavens OASIS-laboratorium.
"Det vi mäter är hur många elektroner vid en given plats" tunnel "från provytan till den superledande elektrodspetsen på SI-STM och vice versa när vi varierar energin (spänningen) mellan provet och spetsen, "Fujita sa." Med dessa mätningar kan vi kartlägga det kristallina gitteret och elektrontätheten i tillstånd - liksom antalet elektroner vi har på en given plats. "
När materialet inte är superledande, elektroner finns över ett kontinuerligt spektrum av energier, var och en förökar sig med sin egen unika våglängd. Men när temperaturen sjunker, elektronerna börjar interagera - paras ihop när materialet kommer in i det superledande tillståndet. När detta händer, forskare observerar en lucka i energispektrumet, skapad av frånvaro av elektroner inom det specifika energiområdet.
Kazuhiro Fujita (överst) med andra medlemmar i forskargruppen (vänster till höger:Genda Gu, Sang Hyun Joo, Zengyi Du, Peter Johnson, och Hui Li) vid det spektroskopiskt avbildande skanningstunnelmikroskopet (SI-STM) i Brookhavens OASIS-laboratorium. Upphovsman:Brookhaven National Laboratory
"Klyftets energi är lika med energin som krävs för att bryta isär elektronparen (vilket berättar hur tätt de var bundna), "Sa Fujita.
När forskarna skannade över materialets yta, de upptäckte rumsligt modulerande energigapstrukturer. Dessa moduleringar i energigapet avslöjade att styrkan hos elektronernas bindning varierar - ökar till ett maximum, dippar sedan till ett minimum - med detta mönster som upprepas var åtta atomer över ytan på det regelbundet uppsatta kristallgitteret.
Detta arbete byggde på tidigare mätningar som visade att strömmen som skapades av elektronpar som tunnlar in i mikroskopet också varierade på samma periodiska sätt. De aktuella moduleringarna var det första beviset, fast lite omständligt, att pardensitetsvåg var närvarande.
"Moduleringar i strömmen hos de parade elektronerna är en indikator på att det finns moduleringar i hur starkt parade elektronerna är över ytan. Men den här gången, genom att mäta energispektrumet för enskilda elektroner, vi lyckades direkt mäta det modulerande gapet i spektra där parning sker. Modulationerna i storleken på dessa luckor är ett direkt spektroskopiskt bevis på att parvattentillståndet existerar, "Sa Fujita.
De nya resultaten inkluderade också bevis på andra nyckelsignaturer för pardensitetsvågen-inklusive defekter som kallas "halvvirvlar"-liksom dess interaktioner med supraledande fas.
Dessutom, energigapsmoduleringarna speglar annan Brookhaven Lab-forskning som indikerar förekomsten av modulerande mönster av elektroniska och magnetiska egenskaper-ibland kallade "ränder"-som också inträffar med en åtta-enhetscellsperiodicitet hos vissa hög-Tc-kupratsuperledare.
"Tillsammans tyder dessa fynd på att pardensitetsvågen spelar en betydande roll i dessa materials supraledande egenskaper. Att förstå detta tillstånd kan hjälpa oss att förstå det komplexa fasdiagrammet som kartlägger hur supraledande egenskaper framträder under olika förhållanden, inklusive temperatur, magnetiskt fält, och laddningsbärartäthet, "Sa Fujita.
