Tot ongeveer 50 jaar geleden, alle bekende supergeleiders waren metalen. Dit was logisch, omdat metalen het grootste aantal losjes gebonden "drager"-elektronen hebben die vrij kunnen paren en stromen als elektrische stroom zonder weerstand en 100 procent efficiëntie - het kenmerk van supergeleiding.

Toen kwam er een vreemde langs - strontiumtitanaat, het eerste oxidemateriaal en de eerste halfgeleider bleken supergeleidend te zijn. Ook al past het niet in het klassieke profiel van een supergeleider - het heeft heel weinig vrij rondlopende elektronen - het wordt supergeleidend als de omstandigheden goed zijn, hoewel niemand kon uitleggen waarom.

Nu hebben wetenschappers voor het eerst het supergeleidende gedrag van zijn elektronen in detail onderzocht. Ze ontdekten dat het nog vreemder is dan ze dachten. Toch is dat goed nieuws, ze zeiden, omdat het hen een nieuwe invalshoek geeft om na te denken over wat bekend staat als "hoge temperatuur" supergeleiding, een fenomeen dat kan worden aangewend voor een toekomstige generatie van perfect efficiënte hoogspanningslijnen, zwevende treinen en andere revolutionaire technologieën.

Het onderzoeksteam, geleid door wetenschappers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy en de Stanford University, beschreven hun studie in een paper gepubliceerd op 30 januari in de Proceedings van de National Academy of Sciences .

"Als conventionele metalen supergeleiders zich aan het ene uiteinde van een spectrum bevinden, strontiumtitanaat is helemaal naar beneden aan de andere kant. Het heeft de laagste dichtheid van beschikbare elektronen van alle supergeleiders die we kennen, " zei Adrian Swartz, een postdoctoraal onderzoeker aan het Stanford Institute for Materials and Energy Science (SIMES) die samen met Hisashi Inoue het experimentele deel van het onderzoek leidde, een Stanford afgestudeerde student op het moment.

"Het is een van een groot aantal materialen die we 'onconventionele' supergeleiders noemen omdat ze niet kunnen worden verklaard door de huidige theorieën, " zei Swartz. "Door zijn extreme gedrag te bestuderen, we hopen inzicht te krijgen in de ingrediënten die leiden tot supergeleiding in deze onconventionele materialen, inclusief degenen die bij hogere temperaturen werken."

Dueltheorieën

Volgens de algemeen aanvaarde theorie die bekend staat als BCS voor de initialen van zijn uitvinders, conventionele supergeleiding wordt veroorzaakt door natuurlijke trillingen die door het atomaire rooster van een materiaal rimpelen. De trillingen zorgen ervoor dat dragerelektronen paren en condenseren tot een superfluïde, die zonder weerstand door het materiaal stroomt - een 100 procent efficiënte elektrische stroom. Op deze foto, het ideale supergeleidende materiaal bevat een hoge dichtheid aan snel bewegende elektronen, en zelfs relatief zwakke roostertrillingen zijn voldoende om elektronenparen aan elkaar te lijmen.

Maar buiten de theorie, op het gebied van onconventionele supergeleiders, niemand weet wat de elektronenparen aan elkaar lijmt, en geen van de concurrerende theorieën houdt de scepter.

Om aanwijzingen te vinden over wat er in strontiumtitanaat gebeurt, wetenschappers moesten uitzoeken hoe ze een belangrijk hulpmiddel konden toepassen om supergeleidend gedrag te bestuderen, bekend als tunneling spectroscopie, aan dit materiaal. Dat heeft een aantal jaren geduurd, zei Harold Hwang, een professor bij SLAC en Stanford en SIMES-onderzoeker.

"De wens om dit experiment te doen is er al tientallen jaren, maar het was een technische uitdaging, "zei hij. "Dit is, voor zover ik weet, de eerste complete set gegevens die uit een tunnelexperiment op dit materiaal komen." het team kon observeren hoe het materiaal reageerde op doping, een veelgebruikt proces waarbij elektronen aan een materiaal worden toegevoegd om de elektronische prestaties te verbeteren.

'Alles staat op zijn kop'

De tunnelmetingen onthulden dat strontiumtitanaat precies het tegenovergestelde is van wat je zou verwachten in een supergeleider:de roostertrillingen zijn sterk en de dragerelektronen zijn weinig en langzaam.

"Dit is een systeem waarbij alles op zijn kop staat, ' zei Hwang.

Anderzijds, details zoals het gedrag en de dichtheid van zijn elektronen en de energie die nodig is om de supergeleidende toestand te vormen, komen bijna precies overeen met wat je zou verwachten van de conventionele BCS-theorie, zei Swartz.

"Dus, strontiumtitanaat lijkt een onconventionele supergeleider te zijn die in sommige opzichten als een conventionele supergeleider werkt, "zei hij. "Dit is nogal een raadsel, en een grote verrassing voor ons. We ontdekten iets dat verwarrender was dan we aanvankelijk dachten, die vanuit een fundamenteel natuurkundig oogpunt diepgaander is."

Hij voegde toe, "Als we ons begrip van supergeleiding in deze raadselachtige reeks omstandigheden kunnen verbeteren, we zouden mogelijk kunnen leren hoe we de ingrediënten kunnen oogsten voor het realiseren van supergeleiding bij hogere temperaturen."

De volgende stap, Swartz zei, is het gebruik van tunnelspectroscopie om een ​​aantal theoretische voorspellingen te testen over waarom strontiumtitanaat werkt zoals het doet.