Een team van wetenschappers heeft bewijs gevonden voor een nieuw type elektronenparen dat de zoektocht naar nieuwe supergeleiders voor hoge temperaturen kan verbreden. De bevindingen, beschreven in het tijdschrift Science, vormen de basis voor een uniforme beschrijving van hoe radicaal verschillende "ouder" materialen - isolerende verbindingen op basis van koper en verbindingen op basis van metallisch ijzer - het vermogen kunnen ontwikkelen om elektrische stroom te geleiden zonder weerstand bij opvallend hoge temperaturen.

Volgens de wetenschappers de ongelijke elektronische kenmerken van de materialen vormen in feite de sleutel tot gemeenschappelijkheid.

"Wetenschappers hebben gedacht dat, omdat het startpunt voor supergeleiding in deze twee klassen materialen zo verschillend is, je hebt verschillende theoretische benaderingen nodig om ze te beschrijven, " zei J.C. Séamus Davis, een natuurkundige aan het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE) en de Cornell University, die het team van experimentele wetenschappers leidde. "In plaats daarvan, we zijn gemotiveerd om te onderzoeken wat universeel is aan deze twee systemen. Ideaal, er zou maar één verklaring moeten zijn."

Wetenschappers hebben over het algemeen begrepen dat het mechanisme van supergeleiding in koperoxideverbindingen afhangt van het vermogen van elektronen op aangrenzende koperatomen om te paren. Elk koperatoom heeft een enkele, ongepaard elektron in zijn buitenste energieschil, of orbitaal. Terwijl de buitenste elektronen op aangrenzende koperatomen sterk met elkaar interageren, ze blijven normaal gesproken op hun plaats, vast in een "kwantummechanische verkeersopstopping" en nergens heen, zei Davis. Zonder bewegende elektronen, het materiaal fungeert als een "sterk gecorreleerde" elektrische isolator.

Het verwijderen van een deel van de elektronen die zich op koperatomen bevinden, resulteert in elektronenvacatures die bekend staan ​​​​als gaten. Dit verlicht de kwantumverkeersopstopping, zodat, wanneer het materiaal wordt afgekoeld tot een bepaalde temperatuur, tegengesteld uitgelijnde elektronen (magnetische partners waarbij de "spin" van een elektron naar boven wijst en de aangrenzende naar beneden) vormen paren en worden dan vrij om ongehinderd door het materiaal te ritsen - een supergeleider.

ijzer atomen, die een kern hebben met een kleinere positieve lading dan koper, minder aantrekkingskracht uitoefenen op de circulerende elektronen. Dus in plaats van elektronenorbitalen op te vullen, elektronen in verschillende buitenste energie-orbitalen blijven ongepaard, maar toch op elkaar afgestemd en elektronisch actief. De uitlijning van ongepaarde elektronen in meerdere orbitalen geeft eenvoudig ijzer zijn sterke magnetische en metaaleigenschappen, dus het is gemakkelijk in te zien waarom ijzerverbindingen goede geleiders zouden zijn. Maar het is niet echt duidelijk hoe ze supergeleiders met nulweerstand kunnen worden bij hoge temperaturen zonder de sterke interacties die een gecorreleerde isolatietoestand creëren in de op koper gebaseerde materialen.

Om dit raadsel aan te pakken, theoretische fysici begonnen na te denken over de mogelijkheid dat de ongepaarde elektronen in de verschillende orbitalen van ijzer heel verschillende rollen konden aannemen. Misschien kunnen ongepaarde elektronen in een bepaalde orbitaal een paren vormen met elektronen in dezelfde orbitaal op een aangrenzend atoom om de superstroom te dragen, terwijl elektronen in de andere orbitalen de isolerende, magnetisch, en metallische eigenschappen.

"De uitdaging is om een ​​manier te vinden om te zien dat sommige elektronen supergeleidend zijn en sommige isoleren in hetzelfde kristal, ' zei Davy.

Het onderzoek gepubliceerd in Wetenschap levert het eerste directe bewijs dat een dergelijke "orbitaal-selectieve" elektronenparing plaatsvindt.

Het theorieteam voor dit project - Andreas Kreisel (Universiteit van Leipzig), Peter Hirschfeld (Universiteit van Florida), en Brian Anderson (Universiteit van Kopenhagen) hebben de elektronische handtekeningen gedefinieerd die moeten worden geassocieerd met elke orbitaal op de ijzeratomen. Vervolgens, experimentatoren Peter Sprau en Andrey Kostin (beiden van Brookhaven Lab en Cornell) gebruikten een scanning tunneling-microscoop bij het Center for Emergent Superconductivity - een DOE Energy Frontier Research Center in Brookhaven Lab - om de energie en het momentum van elektronen in ijzer-selenidemonsters te meten die werden gesynthetiseerd door Anna Bohmer en Paul Canfield bij DOE's Ames Laboratory. Door de metingen te vergelijken met de voorspelde elektronische handtekeningen, konden de wetenschappers identificeren welke elektronen met elke orbitaal waren geassocieerd.

Met deze informatie, "We kunnen de bindingsenergie en het momentum van elektronen meten in de 'Cooper-paren' die verantwoordelijk zijn voor supergeleiding en identificeren welke energiemomentumkenmerken ze hebben - uit welke orbitaal ze komen, ' zei Davy.

"We konden aantonen dat bijna alle elektronen in Cooper-paren in ijzerselenide afkomstig waren van een bepaalde orbitaal met lagere energie (de d_yz-orbitaal), " Davis zei. De bevindingen impliceren ook dat het elektron in de buitenste baan van ijzer in ijzerselenide vrijwel isolerende eigenschappen vertoont, net als in de koperoxideverbindingen.

"Omdat ijzerselenide normaal gesproken een goede metallische geleidbaarheid vertoont, hoe zou iemand ooit weten dat de elektronen in deze orbitaal zich gedragen zoals ze zijn in gecorreleerde isolatoren? Deze sterk op elkaar inwerkende en vrijwel isolerende toestand was verborgen in het volle zicht!" zei hij.

Met deze buitenste orbitale isolerende staat, de ijzerverbinding heeft dezelfde vereisten voor supergeleiding als de koperoxiden - een sterke magnetische interactie (up/down pairing) van de bijna gelokaliseerde elektronen, en een metalen toestand waardoor die paren kunnen bewegen. Het grote verschil is dat in ijzerselenide, deze bijdragen komen van verschillende elektronen in drie afzonderlijke actieve orbitalen, in plaats van het enkele elektron in één actieve orbitaal in koper.

"In ijzer heb je de geleidbaarheid gratis. En je hebt het magnetisme gratis, maar het is gebaseerd op een ander elektron. Beide bestaan ​​naast elkaar in hetzelfde atoom, " zei Davis. Dus als je Cooper-paren hebt, het lijkt erop dat het niet nodig is om gaten toe te voegen om de stroom te laten stromen.

Dit besef kan de zoektocht naar nieuwe supergeleiders die mogelijk onder warmere omstandigheden kunnen werken, verbreden. Dergelijke supergeleiders met een hogere temperatuur zouden praktischer zijn voor de echte wereld, energiebesparende toepassingen zoals elektriciteitsleidingen of energieopslagapparaten.

"In plaats van te zoeken naar nieuwe single-electron antiferromagnetische isolatoren zoals koperoxide om supergeleiders voor hoge temperaturen te maken, misschien moeten we op zoek naar nieuwe, zeer magnetische, metalen materialen die eigenschappen hebben zoals ijzer, maar in een orbitaal selectieve opstelling, " zei Davis. "Dit opent de wereld van de materiaalwetenschap voor veel nieuwe soorten materialen die supergeleiders bij hoge temperaturen kunnen zijn."