Een van de grootste mysteries van de experimentele natuurkunde is hoe zogenaamde supergeleidende materialen bij hoge temperaturen werken. Ondanks hun naam, hoge-temperatuur-supergeleiders - materialen die elektrische stroom voeren zonder weerstand - werken bij koude temperaturen van minder dan min 135 graden Celsius. Ze kunnen worden gebruikt om superefficiënte stroomkabels te maken, medische MRI's, deeltjesversnellers, en andere apparaten. Het mysterie ontrafelen van hoe deze materialen werkelijk werken, zou kunnen leiden tot supergeleidende apparaten die bij kamertemperatuur werken - en zou een revolutie teweeg kunnen brengen in elektrische apparaten, inclusief laptops en telefoons.

In een nieuw artikel in het tijdschrift Natuurfysica , onderzoekers van Caltech hebben eindelijk een stukje van deze blijvende puzzel opgelost. Ze hebben bevestigd dat een overgangsfase van materie, de pseudogap genaamd - een fase die plaatsvindt voordat deze materialen zijn afgekoeld om supergeleidend te worden - een duidelijke staat van materie vertegenwoordigt, met eigenschappen die heel anders zijn dan die van de supergeleidende toestand zelf.

Wanneer materie van de ene toestand overgaat, of fase, naar een ander - zeg, water bevriest tot ijs - er is een verandering in het ordeningspatroon van de deeltjes van de materialen. Natuurkundigen hadden eerder hints ontdekt van een soort ordening van elektronen in de pseudogap-toestand. Maar hoe ze precies aan het ordenen waren - en of die ordening een nieuwe stand van zaken vormde - was tot nu toe onduidelijk.

"Een bijzondere eigenschap van al deze hoge-temperatuur-supergeleiders is dat vlak voordat ze de supergeleidende toestand binnengaan, ze komen steevast eerst in de pseudogap-toestand, waarvan de oorsprong even, zo niet mysterieuzer is dan de supergeleidende toestand zelf, " zegt David Hsieh, hoogleraar natuurkunde aan Caltech en hoofdonderzoeker van het nieuwe onderzoek. "We hebben ontdekt dat in de pseudogap-staat, elektronen vormen een hoogst ongebruikelijk patroon dat bijna alle symmetrieën van de ruimte doorbreekt. Dit biedt een zeer overtuigende aanwijzing voor de werkelijke oorsprong van de pseudogap-toestand en zou kunnen leiden tot een nieuw begrip van hoe supergeleiders bij hoge temperaturen werken."

Het fenomeen van supergeleiding werd voor het eerst ontdekt in 1911. Wanneer bepaalde materialen worden gekoeld tot superkoude temperaturen, zo laag als een paar graden boven het absolute nulpunt (enkele graden Kelvin), ze voeren elektrische stroom zonder weerstand, zodat er geen warmte of energie verloren gaat. In tegenstelling tot, onze laptops zijn niet gemaakt van supergeleidende materialen en ervaren daardoor elektrische weerstand en worden warm.

Voor het koelen van materialen tot zulke extreem lage temperaturen is vloeibaar helium nodig. Echter, omdat vloeibaar helium zeldzaam en duur is, natuurkundigen hebben gezocht naar materialen die bij steeds hogere temperaturen als supergeleiders kunnen functioneren. De zogenaamde hoge temperatuur supergeleiders, ontdekt in 1986, waarvan nu bekend is dat ze werken bij temperaturen tot 138 Kelvin (minus 135 graden Celsius) en dus kunnen worden gekoeld met vloeibare stikstof, dat is goedkoper dan vloeibaar helium. De vraag die natuurkundigen is ontgaan, echter - ondanks drie Nobelprijzen die tot nu toe zijn toegekend op het gebied van supergeleiding - is precies hoe supergeleiders bij hoge temperaturen werken.

De dans van supergeleidende elektronen

Materialen worden supergeleidend wanneer elektronen hun natuurlijke afstoting overwinnen en paren vormen. Deze koppeling kan plaatsvinden bij extreem lage temperaturen, de elektronen toelaten, en de elektrische stromen die ze voeren, onbelast te bewegen. In conventionele supergeleiders, elektronenparing wordt veroorzaakt door natuurlijke trillingen in het kristalrooster van het supergeleidende materiaal, die als lijm werken om de paren bij elkaar te houden.

Maar in supergeleiders bij hoge temperaturen, deze vorm van "lijm" is niet sterk genoeg om de elektronenparen te binden. Onderzoekers denken dat de pseudogap, en hoe elektronen zich in deze fase ordenen, bevat aanwijzingen over wat deze lijm kan vormen voor supergeleiders bij hoge temperaturen. Om elektronenordening in de pseudogap te bestuderen, Hsieh en zijn team hebben een nieuwe op laser gebaseerde methode uitgevonden die niet-lineaire optische rotatie-anisotropie wordt genoemd. Bij de methode, een laser wordt op het supergeleidende materiaal gericht; in dit geval, kristallen van yttrium barium koperoxide (YBa2Cu3Oy). Een analyse van het licht dat wordt teruggekaatst op de helft van de golflengte in vergelijking met het licht dat binnenkomt, onthult enige symmetrie in de rangschikking van de elektronen in de kristallen.

Gebroken symmetrieën wijzen op nieuwe fase

Verschillende fasen van materie hebben verschillende symmetrieën. Bijvoorbeeld, als water in ijs verandert, natuurkundigen zeggen dat de symmetrie "gebroken" is.

"In water, "Hsieh legt uit, "De H2O-moleculen zijn vrij willekeurig georiënteerd. Als je in een oneindige plas water zou zwemmen, je omgeving ziet er hetzelfde uit, waar je ook bent. in ijs, anderzijds, de H2O-moleculen vormen een regelmatig periodiek netwerk, dus als je je voorstelt dat je ondergedompeld bent in een oneindig blok ijs, uw omgeving ziet er anders uit, afhankelijk van of u op een H- of O-atoom zit. Daarom, we zeggen dat de translatiesymmetrie van de ruimte wordt verbroken door van water naar ijs te gaan."

Met het nieuwe gereedschap Het team van Hsieh kon aantonen dat de elektronen die afgekoeld waren tot de pseudogap-fase een specifieke reeks ruimtelijke symmetrieën braken die inversie en rotatiesymmetrie worden genoemd. "Zodra het systeem de pseudogap-regio binnenging, hetzij als functie van de temperatuur of de hoeveelheid zuurstof in de verbinding, er was een verlies van inversie- en rotatiesymmetrieën, duidelijk een overgang naar een nieuwe fase van de materie aangeeft, " zegt Liuyan Zhao, een postdoctoraal onderzoeker in het Hsieh-lab en hoofdauteur van de nieuwe studie. "Het is opwindend dat we een nieuwe technologie gebruiken om een ​​oud probleem op te lossen."

"De ontdekking van gebroken inversie- en rotatiesymmetrieën in de pseudokloof verkleint drastisch de reeks mogelijkheden voor hoe de elektronen zichzelf organiseren in deze fase, " zegt Hsieh. "In sommige opzichten, deze ongebruikelijke fase kan het meest interessante aspect van deze supergeleidende materialen blijken te zijn."

Met een stukje van de puzzel opgelost, de onderzoekers zijn op naar de volgende. Ze willen weten welke rol deze ordening van elektronen in de pseudogap speelt bij het induceren van supergeleiding bij hoge temperaturen - en hoe dit bij nog hogere temperaturen kan gebeuren.