Okonventionella supraledare innehåller ett antal exotiska faser av materia som tros spela en roll, för bättre eller sämre, i sin förmåga att leda elektricitet med 100 % effektivitet vid mycket högre temperaturer än forskare hade trott var möjligt – även om de fortfarande är långt under de temperaturer som skulle tillåta deras breda utbyggnad i perfekt effektiva kraftledningar, maglev-tåg och så vidare.

Nu har forskare vid Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory skymtat signaturen för en av dessa faser, känd som pair-density waves eller PDW, och bekräftade att den är sammanflätad med en annan fas som kallas laddningsdensitetsvåg (CDW) - vågliknande mönster med högre och lägre elektrondensitet i materialet.

Att observera och förstå PDW och dess korrelationer med andra faser kan vara avgörande för att förstå hur supraledning uppstår i dessa material, låter elektroner paras ihop och färdas utan motstånd, sa Jun-Sik Lee, en SLAC-personalforskare som ledde forskningen vid labbets Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL).

Även indirekta bevis på PDW-fasen sammanflätad med laddningsränder, han sa, är ett viktigt steg på den långa vägen mot att förstå mekanismen bakom okonventionell supraledning, som har gäckat forskare under mer än 30 års forskning.

Lee tillade att metoden som hans team använde för att göra denna observation, vilket innebar att dramatiskt ökade känsligheten hos en standardröntgenteknik känd som resonant mjuk röntgenspridning (RSXS) så att den kunde se de extremt svaga signalerna som dessa fenomen avger, har potential att direkt se både PDW-signaturen och dess korrelationer med andra faser i framtida experiment. Det är vad de planerar att arbeta med härnäst.

Forskarna beskrev sina fynd i Fysiska granskningsbrev .

Att reda ut supraledarens hemligheter

Förekomsten av PDW-fasen i högtemperatursupraledare föreslogs för mer än ett decennium sedan och det har blivit ett spännande forskningsområde, med teoretiker som utvecklar modeller för att förklara hur det fungerar och experimentalister som söker efter det i en mängd olika material.

I den här studien, forskarna letade efter den i en kopparoxid, eller kuprat, material som kallas LSCFO för de grundämnen det innehåller - lantan, strontium, koppar, järn och syre. Det är tänkt att vara värd för två andra faser som kan flätas samman med PDW:laddningstäthetsvågränder och spinndensitetsvågränder.

Arten och beteendet hos laddnings- och spinnränder har undersökts i ett antal studier, men det hade bara funnits ett fåtal indirekta glimtar av PDW – ungefär som att identifiera ett djur från dess spår – och ingen gjord med röntgenspridningstekniker. Eftersom röntgenspridning avslöjar beteendet hos ett helt prov på en gång, det anses vara det mest lovande sättet att klargöra om PDW existerar och hur det relaterar till andra nyckelfaser i cuprates, sa Lee.

Under de senaste åren, SSRL-teamet har arbetat med att öka känsligheten hos RSXS så att den kunde fånga de signaler de letade efter.

Postdoktorn Hai Huang och SLACs personalingenjör Sang-Jun Lee använde den förbättrade tekniken i denna studie. De spred röntgenstrålar från LSCFO och in i en detektor, bildar mönster som avslöjade vad som pågick inuti materialet. När de sänkte temperaturen på materialet mot dess supraledande område, spinnränder dök upp och flätades samman för att bilda laddningsränder, och dessa laddningsränder associerades sedan med uppkomsten av tvådimensionella fluktuationer som är kännetecknet för PDW.

Forskarna sa att dessa resultat inte bara visar värdet av den nya RSXS-metoden, men stöder också möjligheten att PDW inte bara finns i detta material, men i alla superledande kuprater.