Een studie geleid door wetenschappers van het Max Planck Instituut voor de Structuur en Dynamiek van de Materie (MPSD) van het Center for Free-Electron Laser Science in Hamburg levert bewijs voor het naast elkaar bestaan ​​van supergeleiding en "ladingsdichtheidsgolven" in verbindingen van de slecht bestudeerde familie van bismutaten. Deze observatie opent nieuwe perspectieven voor een dieper begrip van het fenomeen van supergeleiding bij hoge temperaturen, een onderwerp dat al meer dan 30 jaar de kern vormt van het onderzoek naar gecondenseerde materie. Het artikel van Nicoletti et al is gepubliceerd in de PNAS .

Sinds het begin van de 20e eeuw, supergeleiding was waargenomen in sommige metalen bij temperaturen slechts enkele graden boven het absolute nulpunt (min 273 graden Celsius). Pas in de jaren tachtig natuurkundigen slaagden erin nieuwe klassen van verbindingen te synthetiseren, op basis van keramische materialen, die in staat waren om elektriciteit te geleiden zonder enig verlies bij temperaturen tot 138 K (minus 135 graden Celsius). Deze werden "hoge temperatuur supergeleiders" genoemd.

De bekendste en meest bestudeerde familie van supergeleiders voor hoge temperaturen is die van cuprates, die verreweg de hoogste kritische temperaturen vertonen (d.w.z. de temperatuur waaronder supergeleiding optreedt), en zijn daarom het meest veelbelovend voor toepassingen. Echter, een grote verscheidenheid aan andere verbindingen bestaat, die ook supergeleiding vertonen bij vrij hoge temperaturen, waaronder de recent ontdekte ijzerpnictiden.

Een universeel beeld dat de fysica achter het fenomeen van supergeleiding bij hoge temperatuur kan beschrijven, ontbreekt nog steeds. Echter, een belangrijke overeenkomst tussen bijna alle hoge temperatuur supergeleiders is de opkomst van supergeleiding in de nabijheid van andere exotische fasen van materie, zoals de "ladingsdichtheidsgolven". Al deze materialen kunnen typisch van de ene fase op de andere worden afgestemd, mogelijk supergeleiding bereiken, door chemische doping, externe druk, of magnetische velden. Echter, de subtiele onderlinge relatie van deze fasen blijft slecht begrepen, en in sommige gevallen er zijn aanwijzingen dat ladingsdichtheidsgolven en supergeleiding zelfs microscopisch naast elkaar kunnen bestaan ​​in dezelfde verbinding.

In zulke omstandigheden, experimenten uitgevoerd door het stimuleren van materialen met ultrakorte, In het verleden is aangetoond dat intense laserpulsen (zo kort als enkele honderden femtoseconden) nieuwe inzichten verschaffen in de fysica van deze systemen. Bijvoorbeeld, de groep van Andrea Cavalleri op de MPSD in Hamburg heeft al met succes aangetoond dat, in sommige cuprate-verbindingen, dergelijke pulsen kunnen worden gebruikt om ladingsdichtheidsgolven te verwijderen en supergeleiding bij hogere temperaturen te bevorderen, mogelijk zelfs tot kamertemperatuur (W. Hu, Natuurmaterialen , 13, 705-711 en R. Mankowsky, Natuur 516 , 71-73).

In het huidige werk, Nicoletti, Cavalleri en collega's richtten zich op verschillende compounds, behorend tot de slecht bestudeerde familie van bismutaten. Deze supergeleiders werden ontdekt in de jaren 70, zelfs vóór de cuprates, maar ze trokken minder aandacht vanwege hun veel lagere kritische temperaturen (ongeveer 30 K). Ze delen veel overeenkomsten, maar ook enkele verschillen met hun bekendere familieleden. Vooral, de zogenaamde "moederverbinding", BaBiO(3), heeft een robuuste ladingsdichtheid-golffase, waaruit supergeleiding ontstaat door chemische substitutie.

Hoge kwaliteit kristallen van BaPb _1-x BixO ₃ , met verschillende Pb-concentraties "x", werden gesynthetiseerd en gekarakteriseerd door Ian R. Fisher en P. Giraldo-Gallo aan de Stanford University, Californië. Het Hamburgse team voerde een reeks experimenten uit op deze kristallen, waarin ze de materialen foto-exciteerden met zeer korte en intense laserpulsen en meetten hoe hun geleidbaarheid tijdelijk werd gewijzigd en binnen enkele picoseconden werd teruggebracht naar de oorspronkelijke waarde. Door de afhankelijkheid van een dergelijk signaal van frequentie te analyseren, temperatuur, en Pb-concentratie, ze konden het op unieke wijze toewijzen aan een wijziging van de fase van de ladingsdichtheidsgolf die door het laserveld wordt geïnduceerd.

"Opvallend", zegt Nicoletti, "we waren in staat om deze respons te meten, niet alleen in de moederverbinding BaBiO ₃ , waarvan bekend is dat er een ladingsdichtheidsgolf bestaat, maar ook in een met Pb gedoteerde supergeleidende verbinding. Deze waarneming is een indirecte demonstratie van het naast elkaar bestaan ​​van ladingsdichtheidsgolven en supergeleiding in hetzelfde materiaal, iets dat al eerder is besproken, maar nooit definitief gevestigd in deze klasse van materialen".

De wetenschappers waren ook in staat om precies de energieschalen te bepalen die verband houden met de wijziging van de ladingsdichtheidsgolven, waardoor nieuwe informatie wordt verschaft over hun dynamische wisselwerking met supergeleiding in bismutaten.

Deze resultaten komen vooral op het juiste moment, aangezien recentelijk ladingsdichtheidsgolven zijn gevonden in verschillende cuprate-supergeleiders, wijzend op een verrassende overeenkomst tussen sommige aspecten van deze materialen. Het huidige experiment is een bijkomend voorbeeld van hoe licht kan worden gebruikt om te onderzoeken, controle, en complexe materialen manipuleren. Een van de uiteindelijke doelen van deze onderzoekslijn is om materiaal engineering te begeleiden om nieuwe functionaliteiten te ontwikkelen bij steeds hogere temperaturen.