Natuurkundigen van het Center for Quantum Materials (RCQM) van de Rice University hebben een nieuw op ijzer gebaseerd materiaal gemaakt dat aanwijzingen biedt over de microscopische oorsprong van supergeleiding bij hoge temperatuur.

Het materiaal, een formulering van ijzer, natrium, koper en arseen gemaakt door Rice afgestudeerde student Yu Song in het laboratorium van natuurkundige Pengcheng Dai, wordt deze week beschreven in het journaal Natuurcommunicatie .

Dai zei het recept van Song - waarbij ingrediënten worden gemengd in een pure argonatmosfeer, verzegel ze in niobium-bussen en bak ze op bijna 1, 000 graden Celsius—produceert een gelaagde legering waarin ijzer en koper zich in afwisselende strepen scheiden. Deze striping is van cruciaal belang voor het nut van het materiaal bij het verklaren van de oorsprong van supergeleiding bij hoge temperaturen, zei RCQM-directeur Qimiao Si.

"Door dit regelmatige patroon te vormen, Yu Song heeft wanorde fysiek uit het systeem verwijderd, en dat is van cruciaal belang om iets zinnigs te kunnen zeggen over wat er elektronisch gebeurt, " zei Si, een theoretisch fysicus die bijna twee decennia heeft gewerkt aan het verklaren van de oorsprong van supergeleiding bij hoge temperaturen en soortgelijke verschijnselen.

Supergeleiding bij hoge temperaturen werd ontdekt in 1986. Het treedt op wanneer elektronen paren en vrij stromen in gelaagde legeringen, zoals de nieuwe creatie van Song. Er zijn tientallen supergeleidende legeringen voor hoge temperaturen gemaakt. De meeste zijn complexe kristallen die een overgangsmetaal bevatten - meestal ijzer of koper - en andere elementen. Hoge-temperatuur-supergeleiders zijn typisch verschrikkelijke geleiders bij kamertemperatuur en worden pas supergeleiders als ze worden afgekoeld tot een kritische temperatuur.

"Het centrale probleem van supergeleiding bij hoge temperatuur is om de precieze relatie tussen deze twee fundamentele toestanden van materie en de faseovergang daartussen te begrijpen, " zei Dai, hoogleraar natuurkunde en sterrenkunde aan Rice. "De macroscopische verandering is duidelijk, maar de microscopische oorsprong van het gedrag staat open voor interpretatie, grotendeels omdat er veel variabelen in het spel zijn, en de relatie tussen hen is zowel synergetisch als niet-lineair."

Dai zei dat er zich vanaf het allereerste begin van dit vakgebied twee denkrichtingen hebben ontwikkeld. Een daarvan was het rondtrekkende kamp, die stelt dat beide toestanden uiteindelijk voortkomen uit rondreizende elektronen. Ten slotte, deze materialen zijn metalen, ook al zijn het misschien arme metalen."

Het andere kamp is het gelokaliseerde kamp, die stelt dat fundamenteel nieuwe fysica ontstaat - als gevolg van elektron-elektron-interacties - op het kritieke punt waarop de materialen overgaan van de ene fase naar de andere.

Dai zei dat metingen aan het nieuwe materiaal van Song de gelokaliseerde theorie ondersteunen. Vooral, het nieuwe materiaal is het eerste lid van een klasse van op ijzer gebaseerde supergeleiders genaamd pnictides (uitgesproken als NIK-tides) die kan worden afgestemd tussen twee concurrerende fasen:de supergeleidende fase waarin elektronen zonder weerstand stromen, en een "Mott-isolerende" fase waarin elektronen op hun plaats worden vergrendeld en helemaal niet stromen.

"De ontdekking die Yu Song deed, is dat dit materiaal meer gecorreleerd is, wat duidelijk is vanwege de Mott-isolatiefase, " zei Dai. "Dit is de eerste keer dat iemand een op ijzer gebaseerde supergeleider heeft gemeld die continu kan worden afgestemd van de supergeleidende fase naar de Mott-isolatiefase."

Bij RCQM zijn monsters gemaakt en enkele tests uitgevoerd. Aanvullende tests werden uitgevoerd in het Canadian Neutron Beam Centre van Chalk River Laboratories in Ontario, het National Institute for Standards and Technology's Centre for Neutron Research in Maryland, Brookhaven Nationaal Laboratorium in New York, Oak Ridge National Laboratory's High Flux Isotope Reactor in Tennessee en de Advanced Resonant Spectroscopies beamline van het Paul Scherrer Institute in Zwitserland.

"In de krant, toonden we aan dat als de interactie zwak was, dan zou zelfs het vervangen van 50 procent van het ijzer door koper nog steeds niet voldoende zijn om de isolerende staat te produceren, " zei Si. "Het feit dat onze experimentatoren erin geslaagd zijn om het systeem Mott-isolerend te maken, levert daarom direct bewijs voor sterke elektron-elektron-interacties in ijzerpnictides. Dat is een belangrijke stap voorwaarts omdat het suggereert dat supergeleiding gekoppeld moet worden aan deze sterke elektronencorrelaties."