De perfecte prestaties van supergeleiders kunnen een revolutie teweegbrengen in alles, van elektriciteitsinfrastructuur op elektriciteitsnet tot consumentenelektronica, als ze maar konden worden gedwongen om boven ijskoude temperaturen te werken. Zelfs zogenaamde hoge-temperatuur-supergeleiders (HTS) moeten worden gekoeld tot honderden graden Fahrenheit onder nul.

Nutsvoorzieningen, wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory en de Yale University van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben nieuwe, verrassend gedrag van elektronen in een HTS-materiaal. De resultaten, gepubliceerd op 27 juli in het tijdschrift Natuur , beschrijf de symmetrie-brekende stroom van elektronen door koperoxide (cuprate) supergeleiders. Het gedrag kan worden gekoppeld aan het altijd ongrijpbare mechanisme achter HTS.

"Onze ontdekking daagt een hoeksteen van de fysica van de gecondenseerde materie uit, "Zei hoofdauteur en Brookhaven Lab-natuurkundige Jie Wu. "Deze elektronen lijken spontaan hun eigen weg door het materiaal te 'kiezen' - een fenomeen dat haaks staat op de verwachtingen."

Off-road elektronen

In eenvoudige metalen, elektronen bewegen gelijkmatig en zonder richtingsvoorkeur - denk aan een vloeistof die zich op een oppervlak verspreidt. De HTS-materialen in deze studie zijn gelaagd met viervoudige rotatiesymmetrie van de kristalstructuur. Verwacht wordt dat elektrische stroom uniform parallel aan deze lagen zal vloeien, maar dit is niet wat de Brookhaven-groep heeft waargenomen.

"Ik kom uit het Midwesten, waar mijlen landbouwgrond de steden scheiden, " zei Brookhaven natuurkundige en studie coauteur Anthony Bollinger. "De landwegen tussen de steden zijn grotendeels aangelegd als een raster dat van noord naar zuid en van oost naar west gaat. Je verwacht dat auto's de grid volgen, die voor hen op maat is gemaakt. Deze symmetriebreking is alsof iedereen besloot de verharde wegen te verlaten en dwars door de akkers van de boeren te rijden."

In een andere draai, de symmetrie-brekende spanning hield aan tot kamertemperatuur en over het hele scala van chemische samenstellingen die de wetenschappers onderzochten.

"De elektronen coördineren op de een of andere manier hun beweging door het materiaal, zelfs nadat de supergeleiding faalt, " zei Wu.

Sterke elektron-elektron-interacties kunnen de voorkeursrichting van de stroom helpen verklaren. Beurtelings, deze intrinsieke elektronische eigenaardigheden kunnen een relatie hebben met HTS-fenomenen en een hint bieden voor het decoderen van het onbekende mechanisme.

Op zoek naar atomaire perfectie

In tegenstelling tot de bekende klassieke supergeleiding, HTS houdt wetenschappers al meer dan drie decennia voor een raadsel. Nutsvoorzieningen, geavanceerde technieken bieden ongekende inzichten.

"Het moeilijkste deel van het hele werk - en wat ons helpt ons te onderscheiden - was de nauwgezette materiële synthese, " zei co-auteur Xi He.

Dit werk maakte deel uit van een groter project dat 12 jaar duurde en de synthese en studie omvatte van meer dan 2, 000 films van lanthaan-strontium-koper-oxide supergeleiders.

"Deze schaal van onderzoek is zeer geschikt voor een nationale laboratoriumomgeving, " zei Ivan Bozovic, die de Brookhaven-groep achter de inspanning leidt.

Ze gebruiken een techniek genaamd moleculaire bundelepitaxie (MBE) om complexe oxiden één atomaire laag tegelijk te assembleren. Om structurele perfectie te garanderen, de wetenschappers karakteriseren de materialen in realtime met elektronendiffractie, waar een elektronenstraal het monster treft en gevoelige detectoren precies meten hoe het verstrooid wordt.

"Het materiaal zelf is onze basis, en het moet zo foutloos mogelijk zijn om te garanderen dat de waargenomen eigenschappen intrinsiek zijn, " zei Bozovic. "Bovendien, dankzij onze 'digitale' synthese, we engineeren de films op atoomlaagniveau, en optimaliseren voor verschillende onderzoeken."

Tegen de stroom in zwemmen

Het eerste belangrijke resultaat van dit uitgebreide onderzoek door de MBE-groep in Brookhaven werd gepubliceerd in Natuur vorig jaar. Het toonde aan dat de supergeleidende toestand in koperoxidematerialen vrij ongebruikelijk is, het standaardbegrip uitdagen.

Die bevinding suggereerde dat de zogenaamde "normale" metaaltoestand, die zich vormt boven de kritische temperatuurdrempel waarbij supergeleiding afbreekt, kan ook buitengewoon zijn. Zorgvuldig kijken, de wetenschappers merkten op dat als externe stroom door de monsters stroomde, een spontane spanning ontstond onverwacht loodrecht op die stroom.

"Meer dan tien jaar geleden hebben we deze bizarre spanning voor het eerst waargenomen, maar wij en anderen verwierpen dat als een soort fout, "Zei Bollinger. "Maar toen kwam het weer naar voren, en opnieuw, en opnieuw - onder steeds meer gecontroleerde omstandigheden - en we hadden geen manieren meer om het weg te redeneren. Toen we er eindelijk in doken, de resultaten overtroffen onze verwachtingen."

Om de oorsprong van het fenomeen vast te stellen, de wetenschappers fabriceerden en maten duizenden apparaten die uit de HTS-films waren gemodelleerd. Ze bestudeerden hoe deze spontane spanning afhangt van de stroomrichting, temperatuur, en de chemische samenstelling (het gehalte aan doping door strontium, die de elektronendichtheid regelt). Ze varieerden ook het type en de kristalstructuur van de substraten waarop de HTS-films worden gekweekt, en zelfs hoe de ondergronden worden gepolijst.

Deze nauwgezette studies toonden onomstotelijk aan dat het effect intrinsiek is aan het HTS-materiaal zelf, en dat de oorsprong ervan puur elektronisch is.

Op moleculair niveau, gewone vloeistoffen zien er in alle richtingen hetzelfde uit. Sommige, echter, bestaan ​​uit staafvormige moleculen, die de neiging hebben om in één voorkeursrichting uit te lijnen. Dergelijke materialen worden vloeibare kristallen genoemd - ze polariseren licht en worden veel gebruikt in displays. Terwijl elektronen in gewone metalen zich als vloeistof gedragen, in cuprates gedragen ze zich als een elektronisch vloeibaar kristal.

"We moeten begrijpen hoe dit elektronengedrag in de HTS-puzzel als geheel past, " Hij zei. "Deze studie geeft ons nieuwe ideeën om na te streven en manieren om aan te pakken wat misschien wel het grootste mysterie in de fysica van de gecondenseerde materie is. Ik ben opgewonden om te zien waar dit onderzoek ons ​​brengt."