Fysiker från tre kontinenter rapporterar de första experimentella bevisen för att förklara det ovanliga elektroniska beteendet bakom världens tunnaste supraledare, ett material med otaliga användningsområden eftersom det leder elektricitet extremt effektivt. I detta fall är supraledaren endast ett atomlager tjockt.

Arbetet, ledd av en MIT-professor och en fysiker vid Brookhaven National Laboratory, var möjligt tack vare ny instrumentering tillgänglig på endast ett fåtal anläggningar i världen. De resulterande data kan hjälpa till att styra utvecklingen av bättre supraledare. Dessa kan i sin tur förändra fälten för medicinsk diagnostik, kvantberäkning, och energitransport, som alla använder supraledare.

Ämnet för verket tillhör en spännande klass av supraledare som blir supraledande vid temperaturer som är en storleksordning högre än sina konventionella motsvarigheter, vilket gör dem lättare att använda i applikationer. Konventionella supraledare fungerar bara vid temperaturer runt 10 Kelvin, eller -442 Fahrenheit.

Dessa så kallade högtemperatursupraledare, dock, är fortfarande inte helt förstått. "Deras mikroskopiska excitationer och dynamik är avgörande för att förstå supraledning, men efter 30 års forskning, många frågor är fortfarande väldigt öppna, säger Riccardo Comin, klassen 1947 Karriärutveckling biträdande professor i fysik vid MIT. Det nya verket, som rapporteras den 25 maj, 2021 års nummer av Naturkommunikation , hjälper till att svara på dessa frågor.

Världens tunnaste supraledare

År 2015 upptäckte forskare en ny typ av högtemperatursupraledare:ett ark av järnselenid med endast ett atomlager tjockt som kan supraledande vid 65 Kelvin. I kontrast, bulkprover av samma material supraledning vid en mycket lägre temperatur (8 Kelvin). Upptäckten "utlöste en undersökande uppsving för att avkoda hemligheterna bakom världens tunnaste supraledare, säger Comin, som också är knuten till MIT:s materialforskningslaboratorium.

I en vanlig metall, elektroner beter sig ungefär som enskilda människor som dansar i ett rum. I en supraledande metall, elektronerna rör sig i par, som par på en dans. "Och alla dessa par rör sig unisont, som om de var en del av en kvantkoreografi, leder i slutändan till en sorts elektronisk superfluid, säger Comin.

Men vad är samspelet, eller "lim, " som håller ihop dessa elektronpar? Forskare har länge vetat att i konventionella supraledare, att lim härrör från atomernas rörelse i ett material. "Om du tittar på en solid som sitter på ett bord, det verkar inte göra något, " säger Comin. Men, "Det händer mycket på nanoskala. Inuti det materialet flyger elektroner förbi i alla möjliga riktningar och atomerna skramlar; de vibrerar." I konventionella supraledare, elektronerna använder energin som lagras i den atomrörelsen för att para ihop sig.

Limmet bakom elektronparning i högtemperatursupraledare är annorlunda. Forskare har teoretiserat att detta lim är relaterat till en egenskap hos elektroner som kallas spinn (en annan, mer bekant egenskap hos elektroner är deras laddning). Spinn kan ses som en elementär magnet, säger Pelliciari. Tanken är att i en högtemperatursupraledare, elektroner kan ta upp en del av energin från dessa snurr, känd som spin excitationer. Och den energin är limmet de använder för att para ihop.

Tills nu, de flesta fysiker trodde att det skulle vara omöjligt att upptäcka eller mäta spinnexcitationer i ett material som endast är ett atomlager tjockt. Det är den anmärkningsvärda prestationen av det arbete som redovisas i Naturkommunikation . Fysikerna upptäckte inte bara spinnexcitationer, men, bland annat, de visade också att spindynamiken i det ultratunna provet var dramatiskt annorlunda än i bulkprovet. Specifikt, energin för de fluktuerande snurrorna i det ultratunna provet var mycket högre – med en faktor fyra eller fem – än energin för spinnen i bulkprovet.

"Detta är det första experimentella beviset på närvaron av spinnexcitationer i ett atomärt tunt material, säger Pelliciari.

Toppmodern utrustning

Historiskt sett, neutronspridning har använts för att studera magnetism. Eftersom spinn är magnetismens grundläggande egenskap, neutronspridning verkar vara en bra experimentell sond. "Problemet är att neutronspridning inte fungerar på ett material som bara är ett atomlager tjockt, säger Pelliciari.

Ange resonant oelastisk röntgenspridning (RIXS), en ny experimentell teknik som Pelliciari hjälpte pionjären.

Han och Comin diskuterade potentialen för att använda RIXS för att studera spindynamiken hos den nya ultratunna supraledaren, men Comin var först skeptisk. "Jag trodde, 'ja, det skulle vara fantastiskt om vi kunde göra detta, men experimentellt kommer det att vara näst intill omöjligt, "" minns Comin. "Jag trodde att det var ett riktigt månskott." Som ett resultat, "när Johnny samlade de allra första resultaten, det var häpnadsväckande för mig. Jag hade låga förväntningar, så när jag såg data, Jag hoppade på min stol."

Endast ett fåtal anläggningar i världen har avancerade RIXS-instrument. Ett, ligger vid Diamond Light Source (UK) och leds av Dr. Zhou, det är där laget genomförde sitt experiment. En till, som fortfarande byggdes vid tiden för experimentet, är på Brookhaven National Laboratory. Pelliciari är nu en del av teamet som driver RIXS-anläggningen, känd som Beamline SIX, vid National Synchrotron Light Source II som ligger vid Brookhaven Lab.

"Effekten av detta arbete är tvåfaldig, " säger Dr Thorsten Schmitt, chef för Spectroscopy of Novel Materials Group vid Paul Scherrer Institut i Schweiz. Schmitt var inte involverad i arbetet. "På den experimentella sidan, det är en imponerande demonstration av RIXS känslighet för spinnexcitationer i ett supraledande material som endast är ett atomlager tjockt. Vidare, [resulterande data] förväntas bidra till förståelsen av förbättringen av den supraledande övergångstemperaturen i sådana tunna supraledare." Med andra ord, arbetet skulle kunna leda till ännu bättre supraledare.

säger Valentina Bisogni, ledande forskare för Beamline SIX, "förståelsen av okonventionell supraledning är en av de största utmaningarna som forskare står inför idag. Den senaste upptäckten av högtemperatursupraledning i en monolager-tunn film av järnselenid förnyade intresset för järnselenidsystemet, eftersom det ger en ny väg för att undersöka mekanismerna som möjliggör supraledning vid hög temperatur.

"I detta sammanhang, arbetet av Pelliciari et al. presenterar en upplysande, jämförande studie av järnselenid i bulk och tunn järnselenid i ett lager som avslöjar en dramatisk omkonfiguration av spinnexcitationerna." Bisogni var inte involverad i Pelliciaris arbete.