En bild tagen med laser-PEEM som visar arrangemanget av elektroner i ett prov av IBSC-material. I denna teknik, bilder är gjorda av laserljus som lyser upp provet i två olika riktningar. Linjär dikroism (LD) hänvisar till skillnaden mellan bilderna gjorda från dessa två belysningsriktningar; det låter dig se detaljer som du inte skulle kunna se annars, som i detta fall fördelningen av elektroner. Kredit:Shin et al.
När vi studerar elektronernas beteende i järnbaserade supraledande material, forskare vid University of Tokyo observerade en märklig signal om hur elektroner är ordnade. Signalen antyder ett nytt arrangemang av elektroner som forskarna kallar en nematicitetsvåg, och de hoppas kunna samarbeta med teoretiska fysiker för att bättre förstå det. Nematicitetsvågen kan hjälpa forskare att förstå hur elektroner interagerar med varandra i supraledare.
En långvarig dröm för fasta tillståndsfysiker är att till fullo förstå fenomenet supraledning – i huvudsak elektronisk ledning utan motståndet som skapar värme och tappar ström. Det skulle inleda en helt ny värld av otroligt effektiva eller kraftfulla enheter och används redan på Japans experimentella magnetiska levitation bullet train. Men det finns mycket att utforska i detta komplexa ämne, och det överraskar ofta forskare med oväntade resultat och observationer.
Professor Shik Shin från Institute for Solid State Physics vid University of Tokyo och hans team studerar hur elektroner beter sig i järnbaserade supraledande material, eller IBSC. Dessa material visar mycket lovande eftersom de skulle kunna arbeta vid högre temperaturer än andra supraledande material, vilket är en viktig fråga. De använder också mindre exotiska materialkomponenter så det kan vara enklare och billigare att arbeta med. För att aktivera ett provs supraledande förmåga, materialet behöver kylas ner till flera hundra minusgrader. Och intressanta saker händer under denna nedkylningsprocess.
Ett diagram över experimentupplägget som teamet banat väg för. Kredit:Shin et al.
"När IBSCs kyls ner till en viss nivå, de uttrycker ett tillstånd vi kallar elektronisk nematicitet, " sa Shin. "Det är här materialets kristallgitter och elektronerna i det verkar vara ordnade olika beroende på vinkeln du tittar på dem, annars känd som anisotropi. Vi förväntar oss att hur elektronerna är ordnade är tätt kopplade till hur det omgivande kristallgittret är arrangerat. Men vår senaste observation visar något helt annat och faktiskt ganska överraskande."
Shin och hans team använde en speciell teknik utvecklad av deras grupp kallad laser-PEEM (fotoemissionselektronmikroskopi) för att visualisera deras IBSC-prov i mikroskopisk skala. De förväntade sig att se ett välbekant mönster som upprepas med några nanometer (miljarddelar av en meter). Och visst visade kristallgitteret detta mönster. Men till deras förvåning, teamet fann att mönstret av elektroner upprepades med några hundra nanometer i stället.
Denna skillnad mellan elektronnematicitetsvågen och den kristallina strukturen hos IBSC var oväntad, så dess konsekvenser är fortfarande under utredning. Men resultatet kan öppna dörren för teoretiska och experimentella undersökningar av något grundläggande för fenomenet supraledning, och det är så elektroner bildar par vid låga temperaturer. Kunskap om denna process kan vara avgörande för utvecklingen av högtemperatursupraledning. Så om nematicitetsvågor är relaterade, det är viktigt att veta hur.
"Nästa, Jag hoppas att vi kan arbeta med teoretiska fysiker för att främja vår förståelse av nematicitetsvågor, ", sa Shin. "Vi vill också använda laser-PEEM för att studera andra relaterade material som metalloxider som kopparoxid. Det kanske inte alltid är självklart var applikationerna ligger, men att arbeta med grundläggande fysikproblem fascinerar mig verkligen."
Studien publiceras i tidskriften Vetenskap .
