Supergeleiding op hoge temperatuur biedt een perfect transport van elektriciteit, maar het doet dit tegen de prijs van extreme kou en een altijd ongrijpbaar mechanisme. Indien begrepen, wetenschappers kunnen supergeleiding naar warmere temperaturen duwen en elektriciteitsnetten radicaal verbeteren, consumentenelektronica, en meer, maar de puzzel bestaat al meer dan 30 jaar.

Nutsvoorzieningen, wetenschappers hebben nieuwe wegen ingeslagen door vanuit een contra-intuïtieve hoek te benaderen:het onderzoeken van zogenaamde "slechte metalen" die elektriciteit slecht geleiden. De onderzoekers ontdekten dat "strepen" van elektronische lading, die een sleutelrol kunnen spelen in supergeleiding, blijven bestaan ​​bij verrassend hoge temperaturen, vorm geleidbaarheid, en hebben richtingsafhankelijke eigenschappen.

De resultaten, die het modelsysteem van op maat gemaakte nikkeloxidematerialen onderzocht, werden op 28 april online gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

"Dit is een stap op weg naar het oplossen van het mechanisme van supergeleiding bij hoge temperatuur en de complexe rol van ladingsstrepen, " zei Ruidan Zhong, hoofdauteur van de studie en een promovendus aan de Stony Brook University. "We hebben snapshots gemaakt van dynamische strepen die fluctueren in een vloeibare fase, waar ze de vrijheid hebben om zich uit te lijnen en met tussenpozen de stroom van elektriciteit toe te staan."

De samenwerking gebruikte de Spallation Neutron Source van het Oak Ridge National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) om de strepen te meten.

"We bestuderen al twee decennia het bestellen van strepen, en de Oak Ridge-instrumenten zijn perfect voor het verkennen van nieuw terrein, " zei co-auteur John Tranquada, een natuurkundige bij DOE's Brookhaven National Laboratory. "Het signaal dat we zochten was erg zwak, en werd begraven in een jungle van veel sterkere signalen - maar we hebben het gevonden."

Een beetje alchemie bombarderen

Decennia lang zijn wetenschappers in staat geweest om bepaalde koperoxide (cuprate) isolatoren te nemen - wat betekent dat ze geen elektriciteit geleiden - en atomen te vervangen om het elektronengehalte aan te passen en vervolgens supergeleiding te induceren bij ijskoude temperaturen. Hoewel strepen waarschijnlijk een essentiële rol spelen, hun aanwezigheid en gedrag bij verschillende temperaturen is bijzonder moeilijk te volgen.

"In cuprate supergeleiders, we hebben geleerd hoe we ladingsstrepen kunnen detecteren wanneer ze aan het atoomrooster zijn vastgemaakt, maar zodra ze beginnen te bewegen, we verliezen ze uit het oog, "Zei Tranquada. "Dus, in plaats van een supergeleidende verbinding van lanthaan, strontium, koper, en zuurstof, we hebben een beetje alchemie gedaan om het koper te vervangen door nikkel."

In een elegant proces geleid door co-auteur van de studie en Brookhaven-wetenschapper Genda Gu, de nikkeloxide- of nikkelaat-kristallen werden uit een vloeibare fase gekweekt zonder het gebruik van een houder. Omdat ze een vergelijkbare structuur boden als cuprates, maar met sterkere streepbestelling, de ongrijpbare ladingsstrepen zouden gemakkelijker te herkennen zijn, ervan uitgaande dat het juiste gereedschap zou kunnen worden gevonden om naar binnen te kijken.

Het team wendde zich tot de time-of-flight Hybrid Spectrometer (HYSPEC) bij Spallation Neutron Source van Oak Ridge Lab, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit. Het instrument - het product van een voorstel dat voor het eerst werd ontwikkeld in Brookhaven - bestookte het nikkelaatmonster met een bundel neutronen die vervolgens van de atomaire structuur verstrooiden. Door de tijd te meten die de verstrooide neutronen nodig hebben om de detectoren te bereiken, de wetenschappers leidden de verloren of gewonnen energie af - dit onthulde op zijn beurt de aanwezigheid of afwezigheid van de strepen.

Scholen van elektronische vissen

De neutronenverstrooiing resultaten, die intensieve computerverwerking vereisen, leverde het bewijs van een zogenaamde nematische fase in het nikkelaat.

"Elektronische nematische fasen worden aangedreven door elektronencorrelaties die de rotatiesymmetrie van het kristalrooster van het materiaal doorbreken, " zei Zhong. "In het nikkelaat, deze golfachtige, gecorreleerde strepen bewegen door het materiaal en hebben een directe invloed op de geleidbaarheid."

Zoals Tranquada uitlegde, dit kan worden gevisualiseerd als scholen van lange, slanke vissen zwemmen door een verzonken structuur.

"Ze bewegen in strakke, sterk gecoördineerd, en ongrijpbare pakken, "Zei Tranquada. "Zwemmen met deze vissen in een parallelle richting kan vrij soepel zijn, maar zwemmen tegen die gecoördineerde groep in een loodrechte richting is een uitdaging. Dit lijkt een beetje op de manier waarop stroom door ons nikkelaat gaat en interageert met de ladingsgolven."

De precieze manier waarop deze aanhoudende en merkwaardige ladingsstrepen de geleidbaarheid in de nikkelaten - en nog belangrijker in de analoge supergeleidende cupraten - beïnvloeden, blijft onduidelijk.

"We hopen dat dit werk nieuwe mogelijkheden biedt voor theorie en experiment om supergeleiding bij hoge temperaturen te onderzoeken, " zei Zhong. "Terwijl we deze materialen in kaart blijven brengen, het mechanisme zal uiteindelijk geen plekken meer hebben om zich te verstoppen."