Forskare från University of Bristols School of Physics använde några av Europas starkaste kontinuerliga magnetfält för att avslöja bevis på exotiska laddningsbärare i det metalliska tillståndet av kopparoxid-supraledare med hög temperatur (hög-Tc-kuprater). Deras resultat har publicerats den här veckan i Natur . I en relaterad publikation i SciPost Physics förra veckan, teamet postulerade att det är dessa exotiska laddningsbärare som bildar de supraledande paren, i markant kontrast till förväntningar från konventionell teori.

Superledning är ett fascinerande fenomen där, under en så kallad kritisk temperatur, ett material förlorar hela sitt motstånd mot elektriska strömmar. I vissa material, vid låga temperaturer, alla elektroner är intrasslade i en enda, makroskopiskt kvanttillstånd, vilket betyder att de inte längre beter sig som enskilda partiklar utan som ett kollektiv - vilket resulterar i supraledning. Den allmänna teorin för detta kollektiva elektronbeteende har varit känd under lång tid, men en familj av material, kopparna, vägrar att anpassa sig till paradigmet. De har också de högsta supraledande övergångstemperaturerna för omgivande tryck som är kända för att existera. Man trodde länge att för dessa material måste mekanismen som "limmar ihop" elektronerna vara speciell, men nyligen har uppmärksamheten skiftat och nu undersöker fysiker de icke-supraledande tillstånden av kuprat, i hopp om att hitta ledtrådar till ursprunget till högtemperatursupraledning och dess skillnad från normala supraledare.

Supraledning vid hög temperatur

De flesta supraledare, när de värms upp för att överstiga deras kritiska temperatur, förvandlas till "vanliga" metaller. Kvantintrasslingen som orsakar elektronernas kollektiva beteende bleknar bort, och elektronerna börjar bete sig som en vanlig "gas" av laddade partiklar.

Cuprates är speciella, dock. För det första, som nämnts ovan, eftersom deras kritiska temperatur är betydligt högre än för andra superledare. För det andra, de har mycket speciella mätbara egenskaper även i sin "metalliska fas". År 2009, fysiker Prof Nigel Hussey och medarbetare observerade experimentellt att elektronerna i dessa material bildar en ny typ av struktur, annorlunda än i vanliga metaller, därigenom etablera ett nytt paradigm som forskare nu kallar den "konstiga metallen". Specifikt, resistiviteten vid låga temperaturer befanns stå i proportion till temperaturen, inte vid en singulär punkt i temperatur kontra dopningsfasdiagrammet (som förväntat för en metall nära en magnetisk kvantkritisk punkt) utan över ett utökat dopningsintervall. Denna utökade kritikalitet blev ett avgörande inslag i den "konstiga metall"-fasen från vilken supraledning uppstår i kupraterna.

Magnetresistens i en konstig metall

I den första av dessa nya rapporter, EPSRC -doktorand Jakes Ayres och doktorand student Maarten Berben (baserad på HFML-FELIX i Nijmegen, Nederländerna) studerade magnetoresistansen – förändringen i resistivitet i ett magnetfält – och upptäckte något oväntat. I motsats till svaret från vanliga metaller, magnetoresistansen visade sig följa ett märkligt svar där magnetfält och temperatur uppträder i kvadratur. Sådant beteende hade bara observerats tidigare vid en singulär kvantkritisk punkt, men här, som med nollfältsresistiviteten, magnetoresistansens kvadraturform observerades över ett utökat dopningsintervall. Dessutom, magnetoresistansens styrka befanns vara två storleksordningar större än förväntat från konventionell orbitalrörelse och okänslig för störningsnivån i materialet såväl som magnetfältets riktning i förhållande till den elektriska strömmen. Dessa funktioner i data, tillsammans med kvadraturskalningen, antydde att ursprunget till denna ovanliga magnetoresistans inte var den koherenta omloppsrörelsen hos konventionella metalliska bärare, utan snarare en icke-orbital, inkoherent rörelse från en annan typ av bärare vars energi försvann med den maximala hastighet som kvantmekaniken tillåter.

Från maximal till minimal förlust

Prof Hussey sa:"Med hänsyn till tidigare Hall-effektmätningar, vi hade övertygande bevis för två distinkta bärartyper i kuprater – en konventionell, det andra "konstigt". Nyckelfrågan var då vilken typ som var ansvarig för högtemperatursupraledning? Vårt team under ledning av Matija Čulo och Caitlin Duffy jämförde sedan utvecklingen av densiteten hos konventionella bärare i normalt tillstånd och pardensiteten i supraledande tillstånd och kom till en fascinerande slutsats; att det supraledande tillståndet i kuprater i själva verket är sammansatt av de exotiska bärare som genomgår en sådan maximal förlust i det metalliska tillståndet. Detta är långt ifrån den ursprungliga teorin om supraledning och antyder att ett helt nytt paradigm behövs, en där den märkliga metallen står i centrum."