Terahertz lys fra superledende striper

Hvorfor bærer noen materialer elektriske strømmer uten motstand bare når de er avkjølt til nær absolutt null, mens andre gjør det ved relativt høye temperaturer? Dette nøkkelspørsmålet fortsetter å irritere forskere som studerer fenomenet superledning. Nå har et team av forskere fra Andrea Cavalleris gruppe ved Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter (MPSD) i Hamburg gitt bevis på at elektron-“striper” i visse kobberbaserte forbindelser kan føre til brudd i materialets krystallsymmetri. , som vedvarer selv i deres superledende tilstand. Arbeidene deres er publisert i PNAS.

Med fokus på en rekke cuprates, undersøkte teamet deres sameksistens og konkurranse superledende tilstand med andre kvantefaser. Slike interaksjoner antas å være avgjørende for utviklingen av høytemperaturs superledning – en prosess som fortsatt er et av de viktigste uløste problemene i fysikk av kondensert materie i dag.

Forskerne eksponerte flere cuprate-krystaller, dyrket og karakterisert ved Brookhaven National Labs, for ultrakorte laserlyspulser. De observerte hvordan materialene begynte å sende ut en bestemt type terahertz (THz) lys – en teknikk kjent som THz-emisjonsspektroskopi.

Vanligvis forekommer slike utslipp bare i nærvær av et magnetfelt eller polariserende strøm. MPSD-teamet undersøkte imidlertid cuprates uten å bruke noen ekstern skjevhet og oppdaget “anomale” THz-utslipp i noen av dem. Disse forbindelsene inneholdt den såkalte ladningsstripe-ordenen – der elektronene ordner seg i kjedemønstre i stedet for å bevege seg fritt rundt. Ladningsstripe-rekkefølgen ser ut til å bryte materialets krystallsymmetri, akkurat som et magnetfelt eller en påført strøm ville gjøre, med denne symmetribruddet som vedvarer i superledende tilstand.

“Ved å utføre eksperimenter på forskjellige forbindelser,” sier Daniele Nicoletti, avisens hovedforfatter, “var vi veldig overrasket over å finne tydelig koherent og nesten ensfarget THz-utslipp i noen superledere og omvendt en total mangel på respons i andre. Vi var i stand til å assosiere THz-emisjonstrekk med rimelig sikkerhet med tilstedeværelsen av ladningsstripe-rekkefølge, en særegen ordnet fase funnet i forskjellige familier av kuprater, som antas å spille en rolle i mekanismen som ligger til grunn for høytemperatursuperledning. Ladningsstriper er sannsynlig. å forårsake symmetribrudd i superlederen, hvis tilstedeværelse ikke hadde blitt funnet av andre eksperimentelle teknikker tidligere.”

I samarbeid med fysikere fra Harvard University, ETH Zürich, og den teoretiske avdelingen av MPSD, har teamet gitt en detaljert forklaring på dette fenomenet. Med utgangspunkt i observasjonen av at den koherente THz-utslippet skjer veldig nær “Josephson-plasmafrekvensen”, som er den resonante tunnelfrekvensen til superledende elektronpar over de krystallinske kobber-oksygen-planene, identifiserte forskerne såkalte “overflate-Josephson-plasmoner” som utslippskilden. Dette er analoger av lydbølger som utvikles i grensesnittet mellom superlederen og det ytre miljøet. I prinsippet er dette “stille” moduser, noe som betyr at de ikke kobles direkte med lys og derfor ikke forventes å utstråle. Imidlertid er det nettopp tilstedeværelsen av ladningsmodulasjonen introdusert av stripe-rekkefølge som gir den nødvendige koblingen med omverdenen og lar disse modusene lyse opp.

Teamets arbeid gir viktig ny innsikt i prosessene som fører til høytemperatursuperledning. Den avslører også koherent uregelmessig THz-utslipp som et følsomt verktøy for å undersøke symmetrien til superledere i nærvær av andre faser. Forskerne mener det bør brukes på en bredere klasse av forbindelser i fremtiden, og åpner for nye muligheter for å forstå fysikken til komplekse interaksjoner i disse materialene.

---

---