Een internationaal team onder leiding van wetenschappers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy en de Stanford University heeft nieuwe kenmerken ontdekt in het elektronische gedrag van een koperoxidemateriaal dat kan helpen verklaren waarom het bij relatief hoge temperaturen een perfecte elektrische geleider – een supergeleider – wordt .

Met behulp van een ultrahoge resolutie röntgeninstrument in Frankrijk, de onderzoekers zagen voor het eerst dynamisch gedrag in de ladingsdichtheidsgolf (CDW) van het materiaal - een patroon van elektronen dat lijkt op een staande golf - die het idee ondersteunen dat deze golven een rol kunnen spelen bij supergeleiding bij hoge temperatuur.

Gegevens genomen bij lage (20 kelvin) en hoge (240 kelvin) temperaturen toonden aan dat naarmate de temperatuur toenam, de CDW werd meer afgestemd op de atomaire structuur van het materiaal. Opmerkelijk, bij de lagere temperatuur, de CDW veroorzaakte ook een ongewone toename van de intensiteit van de atomaire roostertrillingen van het oxide, wat aangeeft dat het dynamische CDW-gedrag zich door het rooster kan voortplanten.

"Eerder onderzoek heeft aangetoond dat wanneer de CDW statisch is, het concurreert met en vermindert supergeleiding, " zei co-auteur Wei-Sheng Lee, een SLAC-stafwetenschapper en onderzoeker bij het Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES), die leidde tot de studie gepubliceerd op 12 juni in Natuurfysica . "Indien, anderzijds, de CDW is niet statisch maar fluctuerend, theorie vertelt ons dat ze daadwerkelijk kunnen helpen bij het vormen van supergeleiding."

Een decennialange zoektocht naar een verklaring

Het nieuwe resultaat is het laatste in een decennialange zoektocht van onderzoekers over de hele wereld naar de factoren die het mogelijk maken dat bepaalde materialen supergeleidend worden bij relatief hoge temperaturen.

Sinds de jaren vijftig, wetenschappers hebben geweten hoe bepaalde metalen en eenvoudige legeringen supergeleidend worden wanneer ze tot op enkele graden van het absolute nulpunt worden gekoeld:hun elektronen paren en rijden op golven van atomaire trillingen die werken als een virtuele lijm om de paren bij elkaar te houden. Boven een bepaalde temperatuur, echter, de lijm faalt als thermische trillingen toenemen, de elektronenparen splitsen zich en de supergeleiding verdwijnt.

In 1986, complexe koperoxidematerialen bleken supergeleidend te worden bij veel hogere – hoewel nog steeds vrij koude – temperaturen. Deze ontdekking was zo onverwacht dat het een wereldwijde wetenschappelijke sensatie veroorzaakte. Door de werking van deze materialen te begrijpen en te optimaliseren, onderzoekers hopen supergeleiders te ontwikkelen die werken bij kamertemperatuur en hoger.

Aanvankelijk, de meest waarschijnlijke lijm die supergeleidende elektronenparen bij elkaar houdt bij hogere temperaturen, leek sterke magnetische excitaties te zijn die werden gecreëerd door interacties tussen elektronenspins. Maar anno 2014, een theoretische simulatie en experimenten onder leiding van SIMES-onderzoekers concludeerden dat deze hoogenergetische magnetische interacties niet de enige factor zijn in de supergeleiding van koperoxide bij hoge temperaturen. Ook een onverwachte CDW bleek van belang.

De nieuwste resultaten zetten de SIMES-samenwerking tussen experiment en theorie voort. Voortbouwend op eerdere theorieën over hoe elektroneninteracties met roostertrillingen kunnen worden onderzocht met resonante inelastische röntgenverstrooiing, of RIXS, de handtekening van CDW-dynamiek werd eindelijk geïdentificeerd, het bieden van extra ondersteuning voor de rol van het CDW bij het bepalen van de elektronische structuur in supergeleidende koperoxiden.

De essentiële nieuwe tool:RIXS

De nieuwe resultaten worden mogelijk gemaakt door de ontwikkeling van meer capabele instrumenten die gebruik maken van RIXS. Nu verkrijgbaar in ultrahoge resolutie bij de European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Frankrijk, waar het team dit experiment uitvoerde, RIXS zal ook een belangrijk kenmerk zijn van SLAC's verbeterde Linac Coherent Light Source X-ray vrije-elektronenlaser, LCLS-II. De combinatie van ultrahoge energieresolutie en een hoge pulsherhalingsfrequentie bij LCLS-II stelt onderzoekers in staat om meer gedetailleerde CDW-fluctuaties te zien en experimenten uit te voeren die gericht zijn op het onthullen van aanvullende details van het gedrag en verbanden met supergeleiding bij hoge temperatuur. Het belangrijkste is, onderzoekers van LCLS-II zullen ultrasnelle licht-materie-interacties kunnen gebruiken om CDW-fluctuaties te beheersen en er vervolgens femtoseconde-tijdschaal snapshots van te maken.

RIXS omvat het belichten van een monster met röntgenstralen die net genoeg energie hebben om enkele elektronen diep in de doelatomen te exciteren om omhoog te springen in een specifieke hogere baan. Wanneer de elektronen terug ontspannen naar hun vorige posities, een klein deel daarvan zendt röntgenstralen uit die waardevolle informatie op atomaire schaal bevatten over de elektronische en magnetische configuratie van het materiaal, waarvan wordt gedacht dat het belangrijk is voor supergeleiding bij hoge temperaturen.

"Daten, geen enkele andere techniek heeft bewijs gezien van het verspreiden van CDW-dynamiek, "zei Leen.

RIXS werd voor het eerst gedemonstreerd in het midden van de jaren zeventig, maar het kon pas in 2007 bruikbare informatie verkrijgen om de belangrijkste problemen aan te pakken, toen Giacomo Ghiringhelli, Lucio Braicovich van de Milan Polytechnic in Italië en collega's van Swiss Light Source hebben een fundamentele verandering aangebracht die de energieresolutie verbeterde tot een niveau waarop significante details zichtbaar werden - technisch gesproken tot ongeveer 120 milli-elektronvolt (meV) bij de relevante röntgengolflengte, die een koperen L-rand wordt genoemd. Het nieuwe RIXS-instrument bij ESRF is drie keer beter, routinematig een energieresolutie tot 40 meV bereiken. Sinds 2014, de Milan-groep heeft samengewerkt met wetenschappers van SLAC en Stanford in hun RIXS-onderzoek.

"De nieuwe RIXS met ultrahoge resolutie maakt een enorm verschil, "Zei Lee. "Het kan ons voorheen onzichtbare details laten zien."