Högtemperatursupraledare är en klass av material som kan leda elektricitet med nästan noll motstånd vid temperaturer som är relativt höga jämfört med deras standardmotsvarigheter, som måste kylas till nästan absoluta nollpunkten - den kallaste temperaturen som möjligt. Högtemperaturmaterialen är spännande eftersom de har möjligheten att revolutionera det moderna livet, till exempel genom att underlätta ultraeffektiv energiöverföring eller användas för att skapa banbrytande kvantdatorer.

En speciell grupp av högtemperatursupraledare, cuprates, har studerats i 30 år, men forskarna kan fortfarande inte helt förklara hur de fungerar:Vad händer inuti en "typisk" kuprat?

Att plocka ihop en komplett bild av deras elektroniska beteende är avgörande för att konstruera den "heliga gralen" av kuprater:en mångsidig, robust material som kan supraledande vid rumstemperatur och omgivningstryck.

För detta ändamål, en forskargrupp ledd av forskare från det amerikanska energidepartementets (DOE:s) Brookhaven National Laboratory upptäckte nyligen ny information om det elektroniska beteendet hos en viss kuprat med hjälp av en röntgenteknik som inte – förrän nu – har använts i stor utsträckning för att studera dem. Arbetar delvis på Brookhaven Labs National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), en användaranläggning för DOE Office of Science, forskarna använde en form av röntgenspridning för att undersöka ett specifikt arrangemang av elektrisk laddning som uppstår i cuprates:ett ordnat mönster av elektroner som kallas en laddningsdensitetsvåg (CDW).

Röntgentekniken – resonant oelastisk röntgenspridning (RIXS) – kan öppna upp för spännande nya vägar för forskning om dessa material. Resultaten av denna undersökning publiceras i nätupplagan den 21 maj av Fysiska granskningsbrev .

CDWs i cuprates

En CDW kan visualiseras som ett stående vågmönster av elektroner. CDW uppstår i ordnade, kristallina material, som cuprates, som är sammansatta av alternerande lager av kopparoxid och en isolator (typiskt en annan oxid). De isolerande planen fungerar som laddningsreservoarer som matar kopparoxidskikten där supraledningsförmågan äger rum.

CDW:er har länge misstänkts spela en avgörande roll i hur cuprates uppförande, men karakterisera en – hur den uppstår och försvinner, hur det beter sig, hur det bidrar till eller försvårar supraledning – är en pågående utmaning för forskare.

På NSLS-II och Storbritanniens Diamond Light Source, gruppen studerade en kuprat bestående av lantan, koppar, och syre som "dopades" med små mängder strontium (kallad LSCO). Doping är en teknik där små mängder av ett föroreningsämne tillsätts till en förening för att förändra eller förbättra dess elektriska, optisk, eller strukturella egenskaper.

Gruppen skapade fyra LSCO-prover med fyra olika dopningsnivåer. Dopningsnivåerna täcker en rad elektroniska beteenden där CDW är som starkast och sedan försvinner. Detta sortiment täcker också en övergång i den elektroniska strukturen hos LSCO:"Fermi-ytan, " som är ett teoretiskt 3D-skal som separerar de fyllda och ofyllda elektronorbitalen – volymen runt en kärna där det är mest sannolikt att vissa elektroner finns – när materialet har en temperatur på absolut noll. Fermiytor är abstrakta, men de är väldigt viktiga, ofta förutsäga ett material elektroniska beteende samt många andra egenskaper.

Ett nytt sätt att studera cuprate CDWs

I RIXS, energin från infallande röntgenfotoner överförs till elektroner på kärnnivå i ett kristallint prov, "spännande" dem in i ledningsbandet. De vakanser som lämnas av kärnelektronerna fylls av valensbandselektroner, som avger en foton när de hoppar till det lägre energibandet. Dessa emitterade fotoner bildar ett spektrum av energier som kan analyseras för att få information om excitationerna och materialets övergripande elektroniska beteende.

Vid NSLS-II, arbetet utfördes vid Soft Inelastic X-Ray (SIX) strållinjen, som erbjuder RIXS med ultrahög energiupplösning. Tekniken har en ökad känslighet för excitationer av både valenselektroner och fononer - de kollektiva vibrationerna i atomgittret. En CDW kan associeras med dessa excitationer.

"Den senaste upptäckten att CDW-effekter vävs in i kuprat RIXS-spektra har varit spännande för forskare inom detta område, eftersom det har det lockande löftet att vi kanske kan klargöra de interaktioner som ger upphov till CDW, sa Mark Dean, en fysiker vid Brookhavens avdelning för kondenserad materiens fysik och materialvetenskap, som ledde studien tillsammans med Xuerong Liu från Shanghai Tech University och Valentina Bisogni från NSLS-II.

Dean och hans kollegor fann att RIXS-spektra för det mesta är oförändrade på alla dopningsnivåer, trots att han korsade Fermi-övergången. Detta indikerar att spektra inte är relaterade till excitationer nära Fermi-ytan. Men lär dig mer från RIXS-spektra – nämligen att isolera och tolka de möjliga effekterna av en CDW – är en utmaning.

"CDW:er modifierar oundvikligen sina värdkristallgitter och därmed fononerna, ", sa Bisogni. "Det som ytterligare komplicerar saker är det faktum att det finns olika tillvägagångssätt för att tolka RIXS-data."

Genom rigorösa, noggrann analys, forskargruppen drog slutsatsen att RIXS-spektra har liten eller ingen direkt relation till elektroniska excitationer. Istället, de påverkas mest av fononbeteende, inklusive en "mjukning" av fononerna – en minskning av frekvensen – inducerad av CDW och förändringar i fononernas intensitet.

"Den världsrekordenergiupplösning som nyligen uppnåddes vid SIX-strållinjen var avgörande för denna undersökning, så att vi kan lösa och identifiera de olika bidragen som finns i RIXS-data, " sa Dean.

Gruppen uppger att deras resultat stöder ett scenario där CDW drivs av "starka korrelationer" mellan elektroner – en term som används för att beskriva icke-välförstådda elektroniska beteenden i material – och ger stöd till idén att RIXS-svaret i cuprates drivs av hur CDW modifierar kristallgittret, och hur dessa ändringar framkallar mer komplexa interaktioner.

"Tack vare prestationen av SIX, vi kunde lägga en ny pusselbit som är fysik för cuprate supraledarna, " sa Bisogni. "Efter allt arbete med att bygga strållinjen, bemyndigad, och optimerad, det är fantastiskt att se vetenskap med stor genomslagskraft komma ut ur den ansträngningen. Vi hoppas att denna publikation kommer att bli den första av många sådana samarbetspublikationer."

I framtida arbete, samma team hoppas kunna studera dessa system med ännu högre energiupplösning för att avslöja detaljer om gittrets vibrationslägen med lägre energi.