Ett internationellt team har observerat ett fantastiskt fenomen i ett nickeloxidmaterial under kylning:I stället för att frysa, vissa fluktuationer ökar faktiskt när temperaturen sjunker. Nickeloxid är ett modellsystem som strukturellt liknar högtemperatursupraledare. Experimentet visar än en gång att beteendet hos denna materialklass fortfarande innehåller överraskningar.

I praktiskt taget all materia, lägre temperaturer innebär mindre rörelse av dess mikroskopiska komponenter. Ju mindre värmeenergi som finns tillgänglig, desto mindre ofta ändrar atomer sin plats eller magnetiska moment sin riktning:de fryser. Ett internationellt team ledd av forskare från HZB och DESY har nu för första gången observerat det motsatta beteendet i ett nickeloxidmaterial nära relaterat till högtemperatursupraledare. Fluktuationer i detta nickelat fryser inte vid kylning, men bli snabbare.

Vi använde den innovativa tekniken för röntgenkorrelationsspektroskopi för att observera dem:Detta gjorde det möjligt för oss att spåra ordningen för elementära magnetiska moment (snurr) i rum och tid med hjälp av koherenta mjuka röntgenstrålar. Dessa snurrar ordnar sig i ett randliknande mönster vid kylning. Denna beställning är inte perfekt vid högre temperaturer, men består av ett slumpmässigt arrangemang av små lokalt ordnade regioner. Vi fann att detta arrangemang inte var statiskt, men att fluktuera på tidsskalor på några minuter. När kylningen fortsätter, dessa fluktuationer blir till en början långsammare och långsammare och de individuella ordnade regionerna växer. Än så länge, detta beteende motsvarar vad många material visar:Ju mindre termisk energi är tillgänglig, ju fler fluktuationer fryser och ordningen växer.

Det som är helt ovanligt och som aldrig har observerats på detta sätt tidigare var att när materialet kyldes ner ytterligare, svängningarna blev snabbare igen, medan de beställda områdena krympt. Stripe order avfaller alltså vid låga temperaturer både rumsligt och genom allt snabbare fluktuationer, visar ett slags frostskydd.

Denna observation kan hjälpa till att bättre förstå högtemperatursupraledning i kopparoxider (kuprater). I cuprates, randordning liknande den i nickelater anses konkurrera med supraledning. Där, för, bandordningen avtar vid låga temperaturer, som har förklarats som supraledning, inställer sig vid låga temperaturer, undertrycker randordningen. Eftersom det inte finns någon supraledning i nickelater, men randordningen avtar ändå vid låga temperaturer, en viktig aspekt tycks saknas i den nuvarande beskrivningen av cuprate supraledning. Det är möjligt att randordningen i cuprates inte bara undertrycks, men också förfaller av inneboende skäl, därmed "rensar fältet" för uppkomsten av supraledning. En djupare förståelse av denna mekanism kan hjälpa till att kontrollera supraledning.

Studien visar potentialen för sammanhängande mjuka röntgenstrålar för att studera material som är rumsligt olikformiga, speciellt de material där ny funktionalitet uppstår från denna rumsliga olikformighet. Korrelationsspektroskopi med lasrar har använts i många decennier för att studera, till exempel, rörelsen av kolloider i lösningar. Överförd till mjuka röntgenstrålar, tekniken kan användas för att följa fluktuationerna av magnetiska och t.ex. även elektronisk och kemisk störning i rum och tid.

Experimenten som beskrivs här utfördes vid Advanced Light Source ALS, Kalifornien.

Med framtida röntgenkällor som BESSY III, som kommer att producera många storleksordningar mer intensiv koherent röntgenstrålning än nuvarande källor, det kommer att bli möjligt att utöka denna teknik till snabbare fluktuationer och kortare längdskalor, och därmed att observera effekter som hittills inte varit möjliga att uppnå.