Varför bär vissa material elektriska strömmar utan motstånd endast när de kyls till nära absolut noll medan andra gör det vid jämförelsevis höga temperaturer? Denna nyckelfråga fortsätter att irritera forskare som studerar fenomenet supraledning. Nu har ett team av forskare från Andrea Cavalleris grupp vid Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter (MPSD) i Hamburg gett bevis för att elektron-"ränder" i vissa kopparbaserade föreningar kan leda till ett brott i materialets kristallsymmetri. , som kvarstår även i deras supraledande tillstånd. Deras arbete har publicerats i PNAS .

Med fokus på en rad kuprater undersökte teamet samexistensen och konkurrensen mellan deras supraledande tillstånd med andra kvantfaser. Sådana interaktioner tros vara avgörande för utvecklingen av högtemperatursupraledning – en process som förblir ett av de viktigaste olösta problemen inom den kondenserade materiens fysik idag.

Forskarna exponerade flera kupratkristaller, odlade och karakteriserade vid Brookhaven National Labs, för ultrakorta laserljuspulser. De observerade hur materialen började avge en viss typ av terahertz (THz) ljus - en teknik som kallas THz emissionsspektroskopi.

Vanligtvis sker sådana emissioner endast i närvaro av ett magnetfält eller polariserande ström. Men MPSD-teamet undersökte cuprates utan att applicera någon extern fördom och upptäckte "anomala" THz-emissioner i några av dem. Dessa föreningar innehöll den så kallade laddningsremsordningen - där elektronerna ordnar sig i kedjemönster snarare än att röra sig fritt. Laddningsbandsordningen verkar bryta materialets kristallsymmetri, precis som ett magnetfält eller en pålagd ström skulle göra, med denna symmetribrytning som kvarstår i det supraledande tillståndet.

"Genom att utföra experiment på olika föreningar", säger Daniele Nicoletti, tidningens huvudförfattare, "var vi mycket förvånade över att hitta tydlig koherent och nästan enfärgad THz-emission i vissa supraledare och, omvänt, en total brist på respons i andra. Vi kunde associera THz-emissionsegenskaper med rimlig säkerhet med närvaron av laddningsremsor, en märklig ordnad fas som finns i olika familjer av kuprater, som tros spela en roll i mekanismen bakom supraledning vid hög temperatur. Laddningsränder är sannolikt för att orsaka ett symmetribrott i supraledaren, vars närvaro inte hade hittats med andra experimentella tekniker tidigare."

I samarbete med fysiker från Harvard University, ETH Zürich, och den teoretiska avdelningen av MPSD, har teamet gett en detaljerad förklaring till denna fenomenologi. Med utgångspunkt från observationen att den koherenta THz-emissionen sker mycket nära "Josephson-plasmafrekvensen", som är resonanstunnelfrekvensen för supraledande elektronpar över de kristallina koppar-syreplanen, identifierade forskarna så kallade "yte Josephson-plasmoner" som källan till utsläpp. Dessa är analoger av ljudvågor som utvecklas i gränssnittet mellan supraledaren och den yttre miljön. I princip är dessa "tysta" lägen, vilket betyder att de inte kopplas direkt med ljus och därför inte förväntas stråla. Men det är just närvaron av laddningsmoduleringen som introducerats av randordning som ger den nödvändiga kopplingen till omvärlden och gör att dessa lägen lyser upp.

Teamets arbete ger viktiga nya insikter i de processer som leder till högtemperatursupraledning. Det avslöjar också koherent anomal THz-emission som ett känsligt verktyg för att undersöka symmetrin hos supraledare i närvaro av andra faser. Forskarna anser att det borde tillämpas på en bredare klass av föreningar i framtiden, vilket öppnar nya möjligheter för att förstå fysiken hos komplexa interaktioner i dessa material. + Utforska vidare

Ny insikt om okonventionell supraledning