Wetenschappers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy en de Stanford University hebben de eerste directe metingen gedaan, en verreweg de meest nauwkeurige, van hoe elektronen synchroon bewegen met atomaire trillingen die door een exotisch materiaal kabbelen, alsof ze op hetzelfde ritme dansten.

De trillingen worden fononen genoemd, en de elektron-fononkoppeling die de onderzoekers hebben gemeten, was 10 keer sterker dan de theorie had voorspeld - waardoor het sterk genoeg was om mogelijk een rol te spelen in onconventionele supergeleiding, waardoor materialen zonder verlies elektriciteit kunnen geleiden bij onverwacht hoge temperaturen.

Bovendien, de aanpak die ze ontwikkelden geeft wetenschappers een volledig nieuwe en directe manier om een ​​breed scala aan "opkomende" materialen te bestuderen waarvan de verrassende eigenschappen voortkomen uit het collectieve gedrag van fundamentele deeltjes, zoals elektronen. De nieuwe benadering onderzoekt deze materialen alleen door middel van experimenten, in plaats van te vertrouwen op aannames op basis van theorie.

De experimenten werden uitgevoerd met SLAC's Linac Coherent Light Source (LCLS) röntgenvrije-elektronenlaser en met een techniek die hoek-opgeloste foto-emissiespectroscopie (ARPES) wordt genoemd op de campus van Stanford. De onderzoekers beschreven het onderzoek vandaag in Science.

Een 'doorbraak'-aanpak

"Ik geloof dat dit resultaat verschillende effecten zal hebben, " zei Giulia Galli, een professor aan het Institute for Molecular Engineering van de University of Chicago en senior scientist bij het Argonne National Laboratory van de DOE die niet bij het onderzoek betrokken was.

"Natuurlijk hebben ze de methode toegepast op een heel belangrijk materiaal, een die iedereen heeft geprobeerd te achterhalen en te begrijpen, en dit is geweldig, "zei ze. "Maar het feit dat ze laten zien dat ze de elektron-fonon-interactie kunnen meten, wat zo belangrijk is in zoveel materialen en fysieke processen - dit, Ik geloof, is een doorbraak die de weg vrijmaakt voor vele andere experimenten met veel andere materialen."

De mogelijkheid om deze meting uit te voeren, voegde ze eraan toe, zullen wetenschappers in staat stellen theorieën en berekeningen te valideren die de fysica van deze materialen beschrijven en voorspellen op een manier die ze voorheen nooit konden.

"Deze precisiemetingen zullen ons diepgaande inzichten geven in hoe deze materialen zich gedragen, " zei Zhi-Xun Shen, een professor aan SLAC en Stanford en onderzoeker bij het Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) die de studie leidde.

Buitengewoon nauwkeurige 'films'

Het team gebruikte SLAC's LCLS om atomaire trillingen te meten en ARPES om de energie en het momentum van elektronen te meten in een materiaal dat ijzerselenide wordt genoemd. Door de twee technieken te combineren, konden ze de elektron-fononkoppeling met buitengewone precisie observeren, op een tijdschaal van femtoseconden - miljoenste van een miljardste van een seconde - en binnen ongeveer een miljardste van de breedte van een mensenhaar.

"We waren in staat om een ​​'film' te maken, ' met behulp van het equivalent van twee camera's om de atomaire trillingen en elektronenbewegingen vast te leggen, en laten zien dat ze tegelijkertijd wiebelen, als twee staande golven op elkaar gestapeld, " zei co-auteur Shuolong Yang, een postdoctoraal onderzoeker aan de Cornell University.

"Het is geen film in de gewone zin van beelden die je op een scherm kunt bekijken, ' zei hij. 'Maar het legt wel de fonon- en elektronenbewegingen vast in frames die 100 biljoen keer per seconde worden geschoten, en we kunnen er ongeveer 100 aan elkaar rijgen, net als filmframes om een ​​volledig beeld te krijgen van hoe ze met elkaar verbonden zijn."

Het ijzerselenide dat ze bestudeerden is een merkwaardig materiaal. Het is bekend om elektriciteit te geleiden zonder verlies, maar alleen bij extreem lage temperaturen, en op een manier die niet volledig kon worden verklaard door gevestigde theorieën; daarom wordt het een onconventionele supergeleider genoemd.

Een intrigerende aanwijzing nastreven

Maar vijf jaar geleden een onderzoeksgroep in China rapporteerde een intrigerende observatie:wanneer een atomair dunne laag ijzerselenide bovenop een ander materiaal, STO genaamd, wordt gelegd, genoemd naar zijn primaire ingrediënten strontium, titanium en zuurstof - de maximale supergeleidende temperatuur springt van 8 graden naar 60 graden boven het absolute nulpunt, of min 213 graden Celsius. Hoewel dat nog steeds erg koud is, het is een veel hogere temperatuur dan wetenschappers hadden verwacht, en het valt binnen het werkbereik van zogenaamde "hoge temperatuur supergeleiders, " wiens ontdekking in 1986 een razernij van onderzoek veroorzaakte vanwege de revolutionaire impact die deze perfect efficiënte elektrische zenders op de samenleving zouden kunnen hebben.

Naar aanleiding van deze aanwijzing, De groep van Shen onderzocht dezelfde combinatie van materialen met ARPES. In een artikel uit 2014 in Nature, ze concludeerden dat atomaire trillingen in de STO omhoog gaan naar het ijzerselenide en elektronen de extra energie geven die ze nodig hebben om te paren en elektriciteit te transporteren zonder verlies bij hogere temperaturen dan ze alleen zouden doen.

Dit suggereerde dat wetenschappers mogelijk nog hogere maximale supergeleidende temperaturen kunnen bereiken door een aantal variabelen te veranderen, zoals de aard van het substraat onder een supergeleidende film, alles tegelijkertijd.

Maar zou deze koppeling van atomaire trillingen en samenwerkend elektronengedrag ook alleen in ijzerselenide kunnen plaatsvinden, zonder een boost van een substraat? Dat is wat de huidige studie probeerde uit te vinden.

Zoals op een bel tikken met een hamer

Shen's team maakte een dikkere, atomair uniforme ijzerselenidefilm en sloeg erop met infrarood laserlicht om de atomaire trillingen van 5 biljoen keer per seconde op te wekken - zoals zachtjes op een bel tikken met een kleine hamer, SLAC-stafwetenschapper en co-auteur Patrick Kirchmann zei. Hierdoor oscilleerden de trillingen in de hele film synchroon met elkaar, zodat ze gemakkelijker kunnen worden waargenomen.

Het team heeft vervolgens de atomaire trillingen en het elektronengedrag van het materiaal gemeten in twee afzonderlijke experimenten. Yang, die destijds een afgestudeerde student aan Stanford was, leidde de ARPES-meting. Simon Gerber, een postdoctoraal onderzoeker in de groep van Shen, leidde de LCLS-metingen bij SLAC; Sindsdien is hij als stafwetenschapper verbonden aan de SwissFEL aan het Paul Scherrer Institute in Zwitserland.

De nieuwe studie bewijst niet dat de koppeling van atomaire en elektronische trillingen verantwoordelijk was voor het verhogen van de supergeleidende temperatuur van ijzerselenide in de vorige studies, aldus Kirchmann. Maar de combinatie van röntgenlaser- en ARPES-waarnemingen zou nieuwe en meer geavanceerde inzichten moeten opleveren over de fysica van materiaalsystemen waar verschillende factoren tegelijkertijd een rol spelen. en hopelijk het veld sneller vooruit te helpen.