Kunstnertolkning av superlederovergang. Kreditt: SLAC National Accelerator Laboratory
Resultatene begrenser 15 års detektivarbeid rettet mot å forstå hvordan disse materialene går over til en superledende tilstand der de kan lede strøm uten tap.
Forskere var i ekstase for 35 år siden da en ny og spennende ny klasse superledende materialer ble funnet.
Disse kobberoksidene eller kupratene, som andre superledere, ledet elektrisitet uten motstand eller tap når de ble avkjølt under en bestemt grad – men ved vesentlig høyere temperaturer enn forskerne hadde forventet. Dette økte muligheten for å få dem til å fungere ved temperaturer nær romtemperatur for perfekt effektive kraftledninger og annen bruk.
Forskning bekreftet raskt at de viste ytterligere to klassiske kjennetegn ved overgangen til en superledende tilstand. Materialet drev ut magnetiske felt etter hvert som superledning oppstod, slik at en magnet plassert på en del av materialet kunne sveve over overflaten. Og under overgangen viste varmekapasiteten deres – mengden varme som kreves for å øke temperaturen med en viss mengde – en bemerkelsesverdig unormalitet.
Men til tross for flere tiår med innsats med en rekke eksperimentelle verktøy, forble den fjerde signaturen, som bare kan sees i mikroskopisk skala, unnvikende: måten elektronene pares sammen og kondenserer til en slags elektronsuppe når materialet går over fra sin normale tilstand til en superledende tilstand.
Nå et forskerteam ved Energidepartementet SLAC National Accelerator Laboratory og Universitetet i Stanford har endelig avslørt den fjerde signaturen med presise målinger med høy oppløsning gjort med vinkeloppløst fotoemisjonsspektroskopi, eller ARPES, som bruker lys til å kaste ut elektroner fra materialet. Å måle energien og momentumet til de utkastede elektronene avslører hvordan elektronene inne i materialet oppfører seg.
Hvordan kan du finne ut om et materiale er en superleder? Fire klassiske signaturer er illustrert her. Venstre til høyre: 1) Den leder strøm uten motstand når den er nedkjølt under en viss temperatur. 2) Den driver ut magnetiske felt, så en magnet plassert på toppen av den vil levitere. 3) Dens varmekapasitet – mengden varme som trengs for å heve temperaturen med en gitt mengde – viser en særegen anomali når materialet går over til en superledende tilstand. 4) Og på det samme overgangspunktet, parer elektronene seg og kondenserer til en slags elektronsuppe som lar strømmen flyte fritt. Nå har eksperimenter ved SLAC og Stanford fanget denne fjerde signaturen i cuprates, som blir superledende ved relativt høye temperaturer, og vist at den forekommer i to distinkte trinn og ved svært forskjellige temperaturer. Å vite hvordan det skjer i fine detaljer antyder en ny og veldig praktisk retning for forskning på disse gåtefulle materialene. Kreditt: Greg Stewart, SLAC National Accelerator Laboratory
I en artikkel publisert nylig i Naturbekreftet teamet at kupratmaterialet de studerte, kjent som Bi2212, gjorde overgangen til en superledende tilstand i to forskjellige trinn og ved svært forskjellige temperaturer.
“Nå vet vi hva som skjer ved den superledende overgangen i svært fine detaljer, og vi kan tenke på hvordan vi kan få det til å skje ved høyere temperaturer,” sa Sudi Chen, som ledet studiet mens han var doktorgradsstudent ved Stanford. “Det er en veldig praktisk retning.”
Stanford-professor Zhi-Xun Shen, en etterforsker ved Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) ved SLAC som overvåket forskningen, sa: “Dette er klimakset på 15 år med vitenskapelig detektivarbeid i forsøk på å forstå den elektroniske strukturen til disse materialene, og det gir det manglende leddet for et helhetlig bilde av ukonvensjonell superledning. Vi visste at disse materialene skulle produsere karakteristiske spektroskopiske signaturer når de sammenkoblede elektronene smelter sammen til et kvantekondensat; det utrolige er at det tok så lang tid å finne det.»
Ukonvensjonelle overganger
I konvensjonelle superledere, som ble oppdaget i 1911, overvinner elektroner deres gjensidige frastøting og danner det som er kjent som Cooper-par, som umiddelbart kondenserer til en slags elektronsuppe som lar elektrisk strøm bevege seg uhindret.
Men i de ukonvensjonelle cuprates har forskere spekulert i at elektroner parer seg ved én temperatur, men ikke kondenserer før de er avkjølt til en betydelig lavere temperatur; først på det tidspunktet blir materialet superledende.
Mens detaljene i denne overgangen hadde blitt utforsket med andre metoder, hadde den til nå ikke blitt bekreftet med mikroskopiske sonder som fotoemisjonsspektroskopi som studerer hvordan materie absorberer lys og sender ut elektroner. Det er et viktig uavhengig mål på hvordan elektronene i materialet oppfører seg.
Shen startet sin vitenskapelige karriere ved Stanford akkurat da oppdagelsen av de nye cuprate-superlederne kom for dagen, og han har viet mer enn tre tiår til å avdekke hemmelighetene deres og forbedre fotoemisjonsspektroskopi som et verktøy for å gjøre det.
For denne studien ble cupratprøver laget av samarbeidspartnere i Japan undersøkt ved to ARPES-oppsett – ett i Shens Stanford-laboratorium, utstyrt med en ultrafiolett laser, og det andre ved SLACs Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) med hjelp av SLAC-stabsforskere og mangeårige samarbeidspartnere Makoto Hashimoto og Donghui Lu.
Stanford-professor Zhi-Xun Shen (i midten) og SLAC-ansatte forskere Makoto Hashimoto (til venstre) og Donghui Lu blir sett tidlig i 2020 ved en Stanford Synchrotron Radiation Lightsource-strålelinje ved SLAC. Eksperimenter her og ved Stanford, ledet av Stanford PhD-student Sudi Chen (ikke avbildet), har avslørt den etterlengtede fjerde signaturen til den superledende overgangen – punktet der elektronpar begynner å lede elektrisitet uten tap – i et kupratmateriale. Kreditt: Jacqueline Ramseyer Orrell/SLAC National Accelerator Laboratory
Å skrelle en fysikkløk
“Nylige forbedringer i den generelle ytelsen til disse instrumentene var en viktig faktor for å oppnå disse høykvalitetsresultatene,” sa Hashimoto. “De tillot oss å måle energien til de utkastede elektronene med mer presisjon, stabilitet og konsistens.”
Lu la til, “Det er veldig utfordrende å få en full forståelse av fysikken til høytemperatursuperledning. Eksperimentalister bruker forskjellige verktøy for å undersøke ulike aspekter av dette vanskelige problemet, og dette gir dypere innsikt.”
Shen sa at den langsiktige studien av disse ukonvensjonelle materialene har vært som å skrelle lag fra en løk for å avsløre den overraskende og interessante fysikken innenfor. Nå, sa han, og bekreftet at overgangen til superledning skjer i to separate trinn “gir oss to knotter vi kan stille inn for å få materialene til å superlede ved høyere temperaturer.”
Sudi Chen er nå postdoktor ved University of California, Berkeley. Forskere fra National Institute of Advanced Industrial Science and Technology i Japan, Lorentz Institute for Theoretical Physics ved Leiden University i Nederland, og DOEs Lawrence Berkeley National Laboratory bidro også til dette arbeidet, som ble finansiert av DOE Office of Science. SSRL er et DOE Office of Science-brukeranlegg.
Referanse: “Ukonvensjonell spektral signatur av Tc in a pure d-wave superconductor» av Su-Di Chen, Makoto Hashimoto, Yu He, Dongjoon Song, Jun-Feng He, Ying-Fei Li, Shigeyuki Ishida, Hiroshi Eisaki, Jan Zaanen, Thomas P. Devereaux, Dung-Hai Lee, Dong-Hui Lu og Zhi-Xun Shen, 26. januar 2022, Natur.
DOI: 10.1038 / s41586-021-04251-2