Wetenschappers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy en de Stanford University hebben aangetoond dat op koper gebaseerde supergeleiders, of cuprates - de eerste klasse van materialen waarvan is vastgesteld dat ze elektriciteit transporteren zonder verlies bij relatief hoge temperaturen - bevatten fluctuerende strepen van elektronenlading en spin die als beekjes over ruwe grond kronkelen.

De strepen zijn zones waar elektronen zich ofwel opstapelen, het creëren van banden van negatieve lading, of lijn hun spins uit om banden van magnetisme te creëren. Het was eerder bekend dat ze bestonden in cuprate-supergeleiders bij temperaturen rond het absolute nulpunt, hoewel in deze diepe kilte de strepen niet bewogen en hun exacte rol in supergeleiding - versterken of onderdrukken ze het? - is onduidelijk geweest.

Nu hebben de onderzoekers voor het eerst computationeel aangetoond dat deze strepen ook bij hoge temperaturen bestaan, maar ze zijn subtiel en fluctueren op een manier die alleen kon worden ontdekt door numerieke computersimulaties met een precisie en schaal die nog niet eerder zijn gedaan. De wetenschappers beschreven hun onderzoek in Wetenschap vandaag.

"Er is reden om aan te nemen dat strepen van lading en spin nauw verbonden zijn met de opkomst van supergeleiding bij hoge temperaturen in deze materialen, die 30 jaar geleden werd ontdekt maar tot nu toe niet wordt begrepen of verklaard, " zei Edwin Huang, een afgestudeerde natuurkundestudent aan Stanford en aan het Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) bij SLAC.

"Deze ontdekking van fluctuerende strepen in een realistisch computermodel zal ons een manier geven om de vele theorieën te testen over hoe strepen verband houden met supergeleiding, Huang zei. "We denken dat onze resultaten nuttig zullen zijn voor wetenschappers die experimentele studies van deze materialen doen, en ze zullen ook helpen bij het ontwikkelen en verfijnen van de computationele technieken die hand in hand gaan met theorie en experimenten om het veld vooruit te helpen."

De resultaten zijn ook van toepassing op andere nieuwe materialen, zei SIMES-directeur Thomas Devereaux. "Materialen die spontaan dit soort niet-uniforme structuur ontwikkelen, zijn vrij alledaags, inclusief magneten en ferro-elektriciteit, " zei hij. "Het kan zelfs worden gezien als een handtekening van 'kwantum'-materialen, waarvan de verrassende eigenschappen worden geproduceerd door elektronen die op onverwachte manieren samenwerken. Onze numerieke resultaten tonen aan dat dit fenomeen in het algemeen verband kan houden met sterke interacties tussen elektronenladingen en spin."

Een mysterieus fenomeen

In conventionele elektrische geleiders, stroom wordt overgedragen door elektronen die afzonderlijk werken. Maar in supergeleiders, elektronen paren om stroom te zenden met vrijwel geen verlies.

75 jaar na hun ontdekking, alle bekende supergeleiders werkten alleen bij temperaturen dichtbij het absolute nulpunt, de manier waarop ze kunnen worden gebruikt te beperken.

Dat veranderde in 1986, toen wetenschappers ontdekten dat cuprates supergeleidend konden worden bij veel hogere (hoewel nog steeds vrij koude) temperaturen. In feite, bepaalde cupraatverbindingen zijn supergeleidend bij temperaturen hoger dan 100 kelvin, of min 173 graden Celsius, waardoor de ontwikkeling van supergeleidende technologieën die kunnen worden gekoeld met vloeibare stikstof.

Maar onderzoekers zijn nog ver verwijderd van hun doel om supergeleiders te vinden die werken bij kamertemperatuur voor zeer efficiënte hoogspanningslijnen. maglev-treinen en andere toepassingen die een grote impact op de samenleving kunnen hebben. Zonder een fundamenteel begrip van hoe hoge-temperatuur-supergeleiders werken, vooruitgang is traag.

Computermodellering is een cruciaal hulpmiddel om dat begrip te bereiken. Modellen zijn sets wiskundige vergelijkingen op basis van fysica die theoretici creëren en voortdurend verfijnen om het gedrag van een materiaal te simuleren met behulp van computeralgoritmen. Ze toetsen hun modellen aan observaties en experimentele resultaten om er zeker van te zijn dat ze op de goede weg zijn.

In dit geval, het team modelleerde elektronengedrag en interacties in een van de koperoxidelagen van een cuprate, waar de interessante natuurkunde plaatsvindt, zei SIMES-stafwetenschapper Brian Moritz. De berekeningen werden uitgevoerd op het Sherlock-supercomputercluster van Stanford bij SLAC en bij het National Energy Research Scientific Computing Center van de DOE in Berkeley.

De resultaten kwamen goed overeen met gegevens van experimenten met neutronenverstrooiing op verschillende cupraten, zeiden de wetenschappers, bevestigen dat hun simulaties de elektronische fysica van deze materialen nauwkeurig vastleggen.

Een nauwkeuriger model

Dit is de eerste keer dat het gedrag van cuprates bij hoge temperaturen is gesimuleerd met een realistisch model dat een voldoende groot oppervlak van het materiaal beslaat om fluctuerende strepen te zien, zei Huang. Deze grotere schaal maakt de berekeningen ook nauwkeuriger.

"Er was een goede balans die we moesten treffen, " zei hij. "Dit zijn extreem rekenkundig veeleisende berekeningen. Maar als je het gedrag van kleinere gebieden simuleert, je zult geen strepen kunnen zien die tevoorschijn komen. Dat was de belangrijkste beperking van eerdere studies."

De simulaties laten zien dat strepen ontstaan ​​bij temperaturen tot 600 graden Celsius en in een breed scala aan dopingomstandigheden, waar verbindingen aan een materiaal worden toegevoegd om het elektronische gedrag ervan aan te passen, en dus lijken ze een universele eigenschap van cuprate-supergeleiders te zijn, aldus de onderzoekers.

"Het idee dat er fluctuerende strepen in cuprates zijn, is niet nieuw, maar het is al jaren een controversieel onderwerp, " zei Huang. "Wat hier nieuw is, is dat we hun bestaan ​​kunnen ondersteunen met behulp van onbevooroordeelde berekeningen op een realistisch model van deze materialen."

Eén ding doet de studie niet, hij voegde toe, is antwoord op de vraag of en hoe de fluctuerende strepen tot supergeleiding leiden:"Dat is de richting die we willen opgaan."