Een team van wetenschappers heeft een verborgen staat van elektronische orde ontdekt in een gelaagd materiaal dat lanthaan bevat, barium, koper, en zuurstof (LBCO). Bij afkoeling tot een bepaalde temperatuur en met bepaalde concentraties barium, Van LBCO is bekend dat het elektriciteit geleidt zonder weerstand, maar nu is er bewijs dat ook boven deze temperatuur een supergeleidende toestand optreedt. Het was gewoon een kwestie van het juiste gereedschap gebruiken - in dit geval pulsen van infrarood licht met hoge intensiteit - om het te kunnen zien.

Gerapporteerd in een paper gepubliceerd in het nummer van 2 februari van Wetenschap , de bevinding van het team geeft meer inzicht in het decennialange mysterie van supergeleiding in LBCO en vergelijkbare verbindingen die koper- en zuurstoflagen bevatten die tussen andere elementen zijn ingeklemd. Deze "cuprates" worden supergeleidend bij relatief hogere temperaturen dan traditionele supergeleiders, die moeten worden bevroren tot bijna het absolute nulpunt (min 459 graden Fahrenheit) voordat hun elektronen er met een efficiëntie van 100 procent doorheen kunnen stromen. Begrijpen waarom cuprates zich gedragen zoals ze doen, zou wetenschappers kunnen helpen bij het ontwerpen van betere supergeleiders bij hoge temperaturen, het elimineren van de kosten van dure koelsystemen en het verbeteren van de efficiëntie van stroomopwekking, overdragen, en distributie. Stelt u zich eens computers voor die nooit warm worden en elektriciteitsnetten die nooit energie verliezen.

"Het uiteindelijke doel is om supergeleiding te bereiken bij kamertemperatuur, " zei John Tranquada, een fysicus en leider van de Neutron Scatter Group in de gecondenseerde materie Physics and Materials Science Department van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), waar hij sinds de jaren tachtig cuprates bestudeert. “Als we dat by design willen doen, we moeten uitzoeken welke eigenschappen essentieel zijn voor supergeleiding. Het is geen gemakkelijke taak om die kenmerken te plagen in zulke gecompliceerde materialen als de cuprates."

De koper-zuurstofvlakken van LBCO bevatten "strepen" van elektrische lading, gescheiden door een soort magnetisme waarin de elektronspins in tegengestelde richtingen afwisselen. Om LBCO supergeleidend te laten worden, de individuele elektronen in deze strepen moeten in staat zijn om te paren en samen door het materiaal te bewegen.

Eerdere experimenten toonden aan dat, boven de temperatuur waarbij LBCO supergeleidend wordt, weerstand treedt op wanneer het elektrische transport loodrecht op de vlakken staat, maar is nul wanneer het transport parallel is. Theoretici stelden voor dat dit fenomeen het gevolg zou kunnen zijn van een ongebruikelijke ruimtelijke modulatie van de supergeleiding, waarbij de amplitude van de supergeleidende toestand oscilleert van positief naar negatief bij het verplaatsen van de ene ladingsstreep naar de volgende. Het streeppatroon draait 90 graden van laag naar laag, en ze dachten dat deze relatieve oriëntatie de supergeleidende elektronenparen blokkeerde om coherent tussen de lagen te bewegen.

"Dit idee is vergelijkbaar met het laten passeren van licht door een paar optische polarisatoren, zoals de glazen van bepaalde zonnebrillen, " zei Tranquada. "Als de polarisatoren dezelfde oriëntatie hebben, ze laten het licht door, maar wanneer hun relatieve oriëntatie wordt gedraaid tot 90 graden, ze blokkeren al het licht."

Echter, een directe experimentele test van dit beeld ontbrak - tot nu toe.

Een van de uitdagingen is het synthetiseren van de grote, hoogwaardige enkele kristallen van LBCO die nodig waren om experimenten uit te voeren. "Het duurt twee maanden om één kristal te laten groeien, en het proces vereist nauwkeurige controle over de temperatuur, atmosfeer, chemische samenstelling, en andere voorwaarden, " zei co-auteur Genda Gu, een natuurkundige in de groep van Tranquada. Gu gebruikte een infraroodbeeldoven - een machine met twee heldere lampen die infrarood licht richten op een cilindrische staaf die het uitgangsmateriaal bevat, het verhitten tot bijna 2500 graden Fahrenheit en het laten smelten - in zijn kristalgroeilab om de LBCO-kristallen te laten groeien.

Medewerkers van het Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter en de University of Oxford richtten vervolgens infrarood licht, gegenereerd door laserpulsen met hoge intensiteit, bij de kristallen (met de lichtpolarisatie in een richting loodrecht op de vlakken) en de intensiteit gemeten van het licht dat door het monster werd teruggekaatst. Naast de gebruikelijke reactie - de kristallen weerkaatsten dezelfde lichtfrequentie die werd ingestuurd - ontdekten de wetenschappers een signaal dat drie keer hoger was dan de frequentie van dat invallende licht.

"Voor monsters met driedimensionale supergeleiding, de supergeleidende signatuur is zowel bij de grondfrequentie als bij de derde harmonische te zien, " zei Tranquada. "Voor een monster waarin ladingsstrepen de supergeleidende stroom tussen lagen blokkeren, er is geen optische signatuur bij de grondfrequentie. Echter, door het systeem uit evenwicht te brengen met het intense infraroodlicht, de wetenschappers veroorzaakten een netto koppeling tussen de lagen, en de supergeleidende signatuur verschijnt in de derde harmonische. We hadden vermoed dat de elektronenparing aanwezig was - er was alleen een sterker hulpmiddel voor nodig om deze supergeleiding aan het licht te brengen."

Theoretici van de Universiteit van Hamburg ondersteunden deze experimentele waarneming met analyse en numerieke simulaties van de reflectiviteit.

Dit onderzoek biedt een nieuwe techniek om verschillende soorten elektronische orders in supergeleiders met hoge temperatuur te onderzoeken, en het nieuwe begrip kan nuttig zijn bij het verklaren van ander vreemd gedrag in de cuprates.