Supergeleiders vervoeren elektriciteit met perfecte efficiëntie, in tegenstelling tot het onvermijdelijke afval dat inherent is aan traditionele geleiders zoals koper. Maar die perfectie gaat ten koste van extreme kou - zelfs de zogenaamde supergeleiding bij hoge temperatuur (HTS) komt pas ver onder nul graden Fahrenheit naar voren. Het ontdekken van het altijd ongrijpbare mechanisme achter HTS kan een revolutie teweegbrengen in alles, van regionale elektriciteitsnetten tot windturbines.

Nutsvoorzieningen, een samenwerking onder leiding van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie heeft een verrassende storing ontdekt in de elektroneninteracties die HTS kunnen ondersteunen. De wetenschappers ontdekten dat naarmate supergeleiding verdwijnt bij hogere temperaturen, krachtige golven van elektronen beginnen merkwaardig los te koppelen en gedragen zich onafhankelijk - zoals oceaangolven die zich splitsen en in verschillende richtingen kabbelen.

"Voor de eerste keer, we hebben deze belangrijke elektroneninteracties gelokaliseerd nadat de supergeleiding is afgenomen, " zei eerste auteur en Brookhaven Lab-onderzoeksmedewerker Hu Miao. "Het portret is zowel vreemder als opwindender dan we hadden verwacht, en het biedt nieuwe manieren om deze opmerkelijke materialen te begrijpen en mogelijk te exploiteren."

De nieuwe studie, gepubliceerd op 7 november in het tijdschrift PNAS , onderzoekt het raadselachtige samenspel tussen twee belangrijke kwantumeigenschappen van elektronen:spin en lading.

"We weten dat lading en spin samenvallen en golven vormen in koperoxiden die zijn afgekoeld tot supergeleidende temperaturen, "Zei hoofdauteur van de studie en Brookhaven Lab-natuurkundige Mark Dean. "Maar we realiseerden ons niet dat deze elektronengolven aanhouden, maar lijken te ontkoppelen bij hogere temperaturen."

Elektronische strepen en golven

Wetenschappers van Brookhaven Lab ontdekten in 1995 dat spin en lading samen kunnen vallen en ruimtelijk gemoduleerde "strepen" kunnen vormen bij lage temperaturen in sommige HTS-materialen. Andere materialen, echter, hebben gecorreleerde elektronladingen die door rollen als ladingsdichtheidsgolven die spin volledig lijken te negeren. Het HTS-mysterie verdiepen, lading en spin kunnen ook de onafhankelijkheid verlaten en met elkaar verbinden.

"De rol van deze 'strepen' en gecorreleerde golven in supergeleiding bij hoge temperaturen wordt fel bediscussieerd, Miao zei. "Sommige elementen kunnen essentieel zijn of slechts een klein stukje van de grotere puzzel. We hadden een duidelijker beeld nodig van de elektronenactiviteit bij verschillende temperaturen, vooral de vluchtige signalen bij warmere temperaturen."

Stel je voor dat je de precieze chemische structuur van ijs kent, bijvoorbeeld, maar geen idee hebben wat er gebeurt als het in vloeistof of damp verandert. Met deze koperoxide supergeleiders, of kopjes, er is een vergelijkbaar mysterie, maar verborgen in veel complexere materialen. Nog altijd, de wetenschappers moesten in wezen een ijskoud monster nemen en dit zorgvuldig opwarmen om precies te volgen hoe de eigenschappen veranderen.

Subtiele signalen in op maat gemaakte materialen

Het team wendde zich tot een gerenommeerd HTS-materiaal, lanthaan-barium koper-oxiden (LBCO) bekend om sterke streepvorming. Brookhaven Lab-wetenschapper Genda Gu heeft de monsters nauwgezet voorbereid en de elektronenconfiguraties aangepast.

"We kunnen geen structurele afwijkingen of dwalende atomen in deze cuprates hebben - ze moeten perfect zijn, " zei Dean. "Genda is een van de beste ter wereld in het maken van deze materialen, en we hebben het geluk dat we zijn talent zo dichtbij hebben."

Bij lage temperaturen, de elektronensignalen zijn krachtig en gemakkelijk te detecteren, dat is een deel van de reden waarom hun ontdekking tientallen jaren geleden plaatsvond. Om de meer ongrijpbare signalen bij hogere temperaturen te plagen, het team had een ongekende gevoeligheid nodig.

"We wendden ons tot de European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Frankrijk voor het belangrijkste experimentele werk, " Zei Miao. "Onze collega's werken met een bundellijn die de röntgenenergie zorgvuldig afstemt om te resoneren met specifieke elektronen en kleine veranderingen in hun gedrag te detecteren."

Het team gebruikte een techniek genaamd resonante inelastische röntgenverstrooiing (RIXS) om de positie en lading van de elektronen te volgen. Een gerichte bundel röntgenstralen treft het materiaal, levert wat energie op, en kaatst vervolgens terug in detectoren. Die verstrooide röntgenstralen dragen de handtekening van de elektronen die ze onderweg raken.

Naarmate de temperatuur in de monsters steeg, waardoor supergeleiding vervaagt, de gekoppelde golven van lading en spin begonnen te ontgrendelen en onafhankelijk te bewegen.

"Dit geeft aan dat hun koppeling de streepvorming kan versterken, of via een onbekend mechanisme supergeleiding bij hoge temperaturen mogelijk maakt, " Zei Miao. "Het verdient zeker verdere verkenning van andere materialen om te zien hoe wijdverbreid dit fenomeen is. Het is een belangrijk inzicht, zeker, maar het is te vroeg om te zeggen hoe het het HTS-mechanisme kan ontgrendelen."

Die verdere verkenning omvat aanvullende HTS-materialen en andere synchrotronfaciliteiten, met name Brookhaven Lab's National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit.

"Met behulp van nieuwe bundellijnen bij NSLS-II, we zullen de vrijheid hebben om het monster te roteren en te profiteren van een aanzienlijk betere energieresolutie, "Zei Dean. "Dit geeft ons een completer beeld van de elektronencorrelaties in het hele monster. Er komt nog veel meer ontdekking."