Kredit:Unsplash/CC0 Public Domain
När vissa material kyls till en viss temperatur tappar de elektriskt motstånd och blir supraledare.
I detta tillstånd kan en elektrisk laddning gå genom materialet på obestämd tid, vilket gör supraledare till en värdefull resurs för att överföra stora volymer elektricitet och andra applikationer. Supraledare färja el mellan Long Island och Manhattan. De används i medicinsk avbildningsutrustning som MRI-maskiner, i partikelacceleratorer och i magneter som de som används i maglev-tåg. Även oväntade material, såsom vissa keramiska material, kan bli supraledare när de kyls tillräckligt.
Men forskare har tidigare inte förstått vad som händer i ett material för att göra det till en supraledare. Specifikt hur högtemperatursupraledning, som förekommer i vissa kopparoxidmaterial, fungerar har inte förståtts tidigare. En teori från 1966 som undersökte en annan typ av supraledare ansåg att elektroner som snurrar i motsatta riktningar binder samman för att bilda vad som kallas ett Cooper-par och låter elektrisk ström passera genom materialet fritt.
Ett par studier ledda av University of Michigan undersökte hur supraledning fungerar och fann i den första artikeln att cirka 50 % av supraledning kan tillskrivas 1966 års teori - men verkligheten, som undersöktes i den andra artikeln, är lite mer komplicerad. Studierna, ledda av nyutexaminerade UM-doktoranden Xinyang Dong och UM-fysikern Emanuel Gull, publiceras i Nature Physics och Proceedings of the National Academy of Science.
Elektroner som flyter i en kristall behöver något för att binda ihop dem, sa Gull. När du har två elektroner bundna tillsammans bygger de ett supraledande tillstånd. Men vad binder dessa elektroner samman? Elektroner stöter vanligtvis bort varandra, men teorin från 1966 föreslog att i en kristall med starka kvanteffekter avskärmas eller absorberas elektron-elektronavstötningen av kristallerna.
Medan elektronavstötningen absorberas av kristallen, uppstår en motsatt attraktion från elektronernas spinnegenskaper - och får elektronerna att binda i Cooper-par. Detta ligger bakom bristen på elektronisk resistivitet. Teorin tar dock inte hänsyn till komplexa kvanteffekter i dessa kristaller.
"Det är en väldigt enkel teori och, du vet, den har funnits länge. Det var i grunden det teoretiska budskapet från 1980-, 1990- och 2000-talen," sa Gull. "Du kunde skriva ner de här teorierna men du kunde inte riktigt räkna ut någonting - om du ville skulle du behöva lösa kvantsystem som har många frihetsgrader. Och nu skrev min doktorand koder som gör precis det."
För artikeln publicerad i Nature Physics , Dong undersökte denna teori genom att använda superdatorer för att tillämpa vad som kallas den dynamiska klustermetoden på en kopparoxidbaserad supraledare. I denna metod beräknas elektronerna och deras spinnfluktuationer tillsammans, vilket gör att forskarna kan göra en kvantitativ analys av interaktionerna mellan elektronerna och deras spin.
För att göra detta kikade Dong in i de områden där materialet blir en supraledare och undersökte huvudmängden av spinnfluktuationer som kallas magnetisk spinnkänslighet. Hon beräknade känsligheten och beräknade regionen och analyserade tillsammans med Gull och Andrew Mills, fysiker vid Columbia University, regionen.
Med denna spinnkänslighet kunde forskarna kontrollera förutsägelsen av enkel spinnfluktuationsteori. De fann att denna teori var förenlig med supraledningsaktivitet - till cirka 50%. Det vill säga att ungefär hälften av ett materials supraledning kan förklaras med hjälp av fluktuationsteorin.
"Det är ett stort resultat eftersom vi å ena sidan har visat att den här teorin fungerar men också att den faktiskt inte fångar allt som händer," sa Gull. "Frågan är naturligtvis vad som händer med den andra halvan, och det här är platsen där 1960-talets teoretiska ramverk var för enkelt."
I en tidning publicerad i PNAS , Gull och Dong utforskade den andra halvan. De återvände för att undersöka elektronsystemen i en förenklad modell av en supraledande kristall. I denna kopparoxidkristall finns det lager av koppar-syrebindningar. Kopparatomerna bygger ett kvadratiskt gitter, och i denna konfiguration saknar varje atom en enda elektron.
När fysiker lägger till ett grundämne som strontium, som delar en elektron med koppar-syreskiktet, till materialet blir materialet en ledare. I det här fallet kallas strontium en dopningsatom. Inledningsvis, ju fler laddningsbärare du lägger till, desto mer supraledande blir materialet. Men om du lägger till för många laddningsbärare försvinner den supraledande egenskapen.
Gull och hans medförfattare tittade in i detta material och undersökte inte bara elektronernas spinn utan även deras laddningsfluktuationer.
Gull säger att fluktuationerna som är bekväma för att förstå systemet dyker upp på två sätt:det första är att signalen är vid en enda momentumpunkt och det andra är att signalen har en låg frekvens. En enda momentum lågfrekvent excitation betyder att det finns en långlivad excitation som hjälper forskarna att se och beskriva systemet.
Forskarna fann att antiferromagnetiska fluktuationer - när elektroner snurrar i motsatt riktning - stod för en majoritet av supraledningsförmågan. Men de såg också ferromagnetiska fluktuationer som motverkade de antiferromagnetiska fluktuationerna, vilket i slutändan förde dem tillbaka till 50 %-resultatet.
"När du har ett komplicerat många-elektronsystem med många kvantpartiklar, finns det ingen anledning till varför det skulle finnas en enkel bild som förklarar allt", sa Gull. "I själva verket finner vi överraskande att ett scenario som 1966-teorin fångar en hel del saker - men inte allt."
Gull säger att nästa steg kommer att vara att se om deras fynd kan hjälpa dem att förutsäga vissa typer av spektra, eller det reflekterade ljuset, involverat i supraledare. Han hoppas också att resultaten kommer att göra det möjligt för fysiker att förstå hur supraledare fungerar och med denna kunskap designa bättre supraledare. + Utforska vidare
