Wetenschappers die supergeleiders bij hoge temperaturen bestuderen - materialen die elektrische stroom voeren zonder energieverlies wanneer ze onder een bepaalde temperatuur worden gekoeld - hebben gezocht naar manieren om de elektroneninteracties waarvan wordt aangenomen dat ze deze veelbelovende eigenschap aandrijven, in detail te bestuderen. Een grote uitdaging is het ontwarren van de vele verschillende soorten interacties, bijvoorbeeld het scheiden van de effecten van elektronen die met elkaar interageren van die veroorzaakt door hun interacties met de atomen van het materiaal.

Nu heeft een groep wetenschappers, waaronder natuurkundigen van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie, een nieuwe lasergestuurde "stop-action" -techniek gedemonstreerd voor het bestuderen van complexe elektroneninteracties onder dynamische omstandigheden. Zoals beschreven in een artikel dat zojuist is gepubliceerd in Natuurcommunicatie , ze gebruiken er een heel snel, intense "pomp" laser om elektronen een explosie van energie te geven, en een tweede "sonde"-laser om het energieniveau en de bewegingsrichting van de elektronen te meten terwijl ze zich terug naar hun normale toestand ontspannen.

"Door de tijd tussen de 'pomp'- en 'sonde'-laserpulsen te variëren, kunnen we een stroboscopisch verslag opbouwen van wat er gebeurt - een film van hoe dit materiaal eruitziet van rust tot de gewelddadige interactie tot hoe het weer tot rust komt, " zei Brookhaven-natuurkundige Jonathan Rameau, een van de hoofdauteurs van het papier. "Het is alsof je een bowlingbal in een emmer water laat vallen om een ​​grote verstoring te veroorzaken, en daarna op verschillende tijdstippen foto's maken, " hij legde uit.

De techniek, bekend als time-resolved, hoek-opgeloste foto-elektronenspectroscopie (tr-ARPES), gecombineerd met complexe theoretische simulaties en analyse, stelde het team in staat om de volgorde en energie "handtekeningen" van verschillende soorten elektroneninteracties te ontrafelen. Ze waren in staat om duidelijke signalen van interacties tussen aangeslagen elektronen te onderscheiden (die snel gebeuren maar niet veel energie verdrijven), evenals willekeurige interacties in een later stadium tussen elektronen en de atomen waaruit het kristalrooster bestaat (die wrijving genereren en leiden tot geleidelijk energieverlies in de vorm van warmte).

Maar ze ontdekten ook een andere, onverwacht signaal - waarvan ze zeggen dat het een duidelijke vorm van extreem efficiënt energieverlies vertegenwoordigt op een bepaald energieniveau en een bepaalde tijdschaal tussen de andere twee.

"We zien een zeer sterke en eigenaardige interactie tussen de aangeslagen elektronen en het rooster waar de elektronen het grootste deel van hun energie zeer snel verliezen in een coherente, niet-willekeurige manier, " zei Rameau. Op dit speciale energieniveau, hij legde uit, de elektronen lijken interactie te hebben met roosteratomen die allemaal met een bepaalde frequentie trillen, zoals een stemvork die een enkele noot uitstraalt. Wanneer alle elektronen die de energie hebben die nodig is voor deze unieke interactie het grootste deel van hun energie hebben opgegeven, ze beginnen langzamer af te koelen door willekeuriger atomen te raken zonder de "resonante" frequentie te raken, hij zei.

De frequentie van de speciale roosterinteractie "noot" is bijzonder opmerkelijk, de wetenschappers zeggen, omdat het energieniveau overeenkomt met een "knik" in de energiesignatuur van hetzelfde materiaal in zijn supergeleidende toestand, die voor het eerst werd geïdentificeerd door Brookhaven-wetenschappers met behulp van een statische vorm van ARPES. Na die ontdekking, veel wetenschappers suggereerden dat de knik iets te maken zou kunnen hebben met het vermogen van het materiaal om een ​​supergeleider te worden, omdat het niet gemakkelijk wordt waargenomen boven de supergeleidende temperatuur.

Maar de nieuwe tijdsopgeloste experimenten, die werden gedaan op het materiaal ruim boven de supergeleidende temperatuur, waren in staat om het subtiele signaal uit te plagen. Deze nieuwe bevindingen geven aan dat deze speciale toestand zelfs bestaat als het materiaal geen supergeleider is.

"We weten nu dat deze interactie niet alleen aangaat wanneer het materiaal een supergeleider wordt; het is er eigenlijk altijd, ' zei Rameau.

De wetenschappers geloven nog steeds dat er iets speciaals is aan het energieniveau van de unieke stemvork-achtige interactie. Andere intrigerende verschijnselen zijn waargenomen op hetzelfde energieniveau, waarvan Rameau zegt dat het tot in ondraaglijke details is bestudeerd.

Het is mogelijk, hij zegt, dat de één-noot roosterinteractie een rol speelt bij supergeleiding, maar vereist een nog nader te bepalen extra factor om de supergeleiding aan te zetten.

"Er is duidelijk iets speciaals aan deze ene noot, ' zei Rameau.