(A) Fluensberoende för den tidsupplösta reflektionssignalen, 800 nm sond, i den supraledande fasen av YBCO (T =20 K). (B) Tidsupplöst reflektionssignal vid 20 K och 65 K för ≈ 100 μJ/cm2. Signalen sjunker dramatiskt runt TC vilket indikerar den tydliga kopplingen till SC-ordern. Kredit:Science (2022). DOI:10.1126/science.abd7213
Rumstemperatursupraledare kan omvandla allt från elektriska nät till partikelacceleratorer till datorer, men forskare försöker fortfarande förstå hur dessa material fungerar på atomnivå.
Nyligen var NC State fysiker Lex Kemper medlem av ett internationellt team som publicerade en artikel i Science på de unika egenskaperna hos ett material som kallas yttriumbariumkopparoxid, eller YBCO.
Teamet fann att YBCO:s supraledning är sammanflätad på oväntade sätt med ett annat fenomen som kallas laddningsdensitetsvågor (CDW), eller krusningar i tätheten av elektroner i materialet. Dessa CDW:er blir starkare när YBCO:s supraledning stängs av. De blev dock förvånade över att finna att CDW:erna plötsligt blev mer spatialt organiserade, vilket tyder på att supraledning på något sätt i grunden formar formen av CDW:erna på nanoskala.
Så vad betyder detta? The Abstract bad Kemper att dela med sig av sina insikter.
TA:Sökandet efter rumstemperatursupraledare kan förändra många industrier. I den här artikeln tittade du på sambandet mellan supraledning och laddningstäthetsvågor i ett material som kallas YBCO. Låt oss börja med några grundläggande definitioner – vad ger en materiell supraledning?
Kemper:Det här är en riktigt bra fråga. Vi vet från BCS-teorin att supraledning kan inträffa eftersom två elektroner indirekt kan interagera via gittervibrationer, en slags kraft. De bildar ett bundet par som kallas ett Cooper-par, och när alla relevanta elektroner i materialet gör det får man ett tillstånd som kallas supraledning. Nu är denna teori inte direkt tillämplig på YBCO - och detta har sporrat flera decennier av forskning för att ta reda på vad som händer i dessa material. För närvarande tror vi att bindningskraften tillhandahålls av magnetiska fluktuationer i materialet snarare än gittervibrationer.
TA:Vad är en laddningstäthetsvåg?
Kemper:Föreställ dig att du har en rad människor, alla lika fördelade – det är din startstruktur. Låt nu varje uppsättning av två personer para ihop sig och stå lite närmare varandra – det är det enklaste sättet att se en laddningstäthetsvåg. I huvudsak är det ett ytterligare mönster utöver det som redan fanns. I YBCO tror vi att denna ytterligare mönstring uppstår på grund av att elektronerna verkar ensamma, snarare än att atomerna är inblandade.
TA:När du använde laserpulser för att "stänga av" supraledningsförmågan i YBCO, märkte du att laddningstäthetsvågorna blev både starkare och mer organiserade, vilket betyder att supralednings- och laddningstäthetsvågor på något sätt hänger ihop i nanoskala. Vad betyder detta?
Kemper:Vad den här studien visade är inte så mycket en väg framåt för att hitta eller skapa högtemperatursupraledare; snarare är det ett steg i att förstå den grundläggande fysiken som är i spel. Vi fann att undertryckande av supraledning får laddningstäthetsvågorna att behålla sitt mönster över mycket längre längdskalor - vilket indikerar att de konkurrerar, men på ett strukturerat sätt i nanoskala. Detta kastar nytt ljus över problemet med samexisterande/sammanflätad ordning vi ser i dessa material.
TA:Varför anses denna sammanflätade ordning vara ett "problem" eller något som vi behöver studera vidare? Förstår vi helt enkelt inte varför/hur det uppstår? Inkräktar det på vår förmåga att utnyttja vissa egenskaper hos materialet?
Kemper:Kort sagt, vi har inte en solid förståelse för varför detta material är supraledande, varför det uppvisar laddningstäthetsvåg, än mindre kombinationen av dessa två! Ett bra sätt att förstå något inom fysiken är att störa det något och se hur det reagerar (så fungerar nästan alla experiment, och även hur många materials egenskaper uppstår). I det här fallet störde vi med en ultrasnabb laserpuls och observerade den resulterande dynamiken - som berättade något nytt som vi inte visste tidigare. I det här fallet avslöjade den förekomsten av ett slags nanoskala mönster, och det uteslöt flera andra (nanoskala eller inte) mönsteralternativ.
TA:Vilka är nästa steg med det här arbetet?
Kemper:Nästa steg är att förfina experimentet och teorin, och att försöka komma på nya sätt att se på detta problem. Mer allmänt hoppas vi att fältet inkluderar detta arbete i hur de tänker om den grundläggande fysiken för laddningstäthetsvågor och supraledning i dessa material.
TA:Tror du att vi kommer att nå användbara rumstemperatursupraledare inom en snar framtid?
Kemper:Det här är en riktigt bra fråga. Jag hoppas det. Vad jag förväntar mig är att om det inträffar kommer det från ett oväntat hörn av det stora havet av möjligheter som vi inte har utforskat ännu. + Utforska vidare
