Het manipuleren van de energiestroom door supergeleiders zou de technologie radicaal kunnen veranderen, misschien leidend tot toepassingen zoals ultrasnelle, zeer efficiënte kwantumcomputers. Maar deze subtiele dynamiek - inclusief warmteverspreiding - speelt zich af met absurde snelheid over duizelingwekkende subatomaire structuren.

Nutsvoorzieningen, wetenschappers hebben nooit eerder vertoonde interacties tussen elektronen en de kristalroosterstructuur van koperoxide-supergeleiders gevolgd. De samenwerking, geleid door wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), bereikte meetnauwkeurigheid sneller dan een biljoenste van een seconde door een baanbrekende combinatie van experimentele technieken.

"Deze doorbraak biedt directe, fundamenteel inzicht in de raadselachtige eigenschappen van deze opmerkelijke materialen, " zei Brookhaven Lab-wetenschapper Yimei Zhu, die het onderzoek leidde. "We hadden al bewijs van hoe roostertrillingen de elektronenactiviteit beïnvloeden en warmte verspreiden, maar het was allemaal via deductie. Nutsvoorzieningen, Tenslotte, we kunnen het direct zien."

De resultaten, gepubliceerd op 27 april in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang , zou het onderzoek naar krachtige, vluchtige verschijnselen gevonden in koperoxiden - inclusief supergeleiding bij hoge temperaturen - en helpen wetenschappers bij het ontwikkelen van nieuwe, beter presterende materialen.

"We vonden een genuanceerd atomair landschap, waar bepaalde hoogfrequente, 'hete' trillingen in de supergeleider absorberen snel energie van elektronen en nemen toe in intensiteit, " zei eerste auteur Tatiana Konstantinova, een doctoraat studente aan de Stony Brook University die haar afstudeerwerk doet bij Brookhaven Lab. "Andere delen van het rooster, echter, waren traag om te reageren. Het zien van dit soort gelaagde interactie transformeert ons begrip van koperoxiden."

Wetenschappers gebruikten ultrasnelle elektronendiffractie en foto-emissiespectroscopie om veranderingen in elektronenenergie en momentum evenals fluctuaties in de atomaire structuur te observeren.

Andere samenwerkende instellingen zijn onder meer SLAC National Accelerator Laboratory, Staatsuniversiteit van Noord-Carolina, Georgetown-universiteit, en de Universiteit van Duisburg-Essen in Duitsland.

Trillingen door een kristallijnen boom

Het team koos Bi ₂ sr ₂ CaCu ₂ O ₈ , een bekend supergeleidend koperoxide dat de sterke interacties vertoont die centraal staan ​​in het onderzoek. Zelfs bij temperaturen dicht bij het absolute nulpunt, het kristallijne atoomrooster trilt en zeer kleine energiepulsen kunnen ervoor zorgen dat de trillingen in amplitude toenemen.

"Deze atomaire trillingen zijn gereguleerd en discreet, wat betekent dat ze zich verdelen over specifieke frequenties, " zei Zhu. "We noemen trillingen met specifieke frequenties 'fonons, ' en hun interacties met stromende elektronen waren ons doelwit."

Dit systeem van interacties lijkt een beetje op de verdeling van water door een boom, Konstantinova legde het uit. Blootgesteld aan regen, alleen de wortels kunnen het water opnemen voordat ze het door de stam en in de takken verspreiden.

"Hier, het water is als energie, neerregenen op de vertakkende structuur van de supergeleider, en de grond is als onze elektronen, "Zei Konstantinova. "Maar die elektronen zullen alleen interageren met bepaalde fononen, die, beurtelings, de energie herverdelen. Die fononen zijn als de verborgen, zeer interactieve 'roots' die we moesten detecteren."

Straalgestuurde atomaire snapshots

De atomen buigen en verschuiven op extreem snelle tijdschalen - denk aan 100 femtoseconden, of miljoen miljardsten van een seconde - en die bewegingen moeten worden gelokaliseerd om hun effect te begrijpen. En, ideaal, deze interacties ontleden en manipuleren.

Het team gebruikte een op maat gemaakte, gelaagde verbinding op basis van bismut, die kunnen worden gesplitst in monsters van 100 nanometer door de relatief eenvoudige toepassing van plakband.

Het materiaal werd vervolgens getest met behulp van de zogenaamde "pump-probe"-techniek van ultrasnelle elektronendiffractie van een miljoen elektronenvolt (MeV-UED). Net als in soortgelijke tijdopgeloste experimenten, een snelle lichtpuls (pomp) trof het monster, die slechts 100 femtoseconden aanhouden en energie afgeven. Een elektronenstraal volgde, kaatste tegen het kristalrooster, en een detector mat zijn diffractiepatroon. Door dit proces te herhalen - als een reeks atomaire snapshots - onthulde de snelle, subtiele verschuiving van atomaire trillingen in de tijd.

Na de eerste MeV-UED-experimenten in Brookhaven Lab, de gegevensverzameling vond plaats in de UED-faciliteit van het SLAC National Accelerator Laboratory tijdens de verhuizing van het Brookhaven-instrument naar een ander gebouw. Collega's van de SLAC UED-faciliteit, geleid door Xijie Wang, geholpen bij het experiment.

De elektronendiffractie, echter, leverde maar de helft van de foto op. Met behulp van tijd- en hoek-opgeloste foto-emissiespectroscopie (tr-ARPES), het team volgde de veranderingen in elektronen in het materiaal. Een eerste laser raakte het monster en een tweede volgde snel - opnieuw met een precisie van 100 femtoseconden - om elektronen van het oppervlak te schoppen. Het detecteren van die vliegende elektronen onthulde veranderingen in de tijd in zowel energie als momentum.

De tr-ARPES-experimenten werden uitgevoerd in de faciliteit in University Duisburg-Essen door Brookhaven Lab-wetenschappers Jonathan Rameau en Peter Johnson en hun Duitse collega's. Wetenschappers van de North Carolina State University en de Georgetown University boden theoretische ondersteuning.

"Beide experimentele technieken zijn nogal geavanceerd en vereisen inspanningen van experts in meerdere disciplines, van laseroptiek tot versnellers en fysica van gecondenseerde materie, "Zei Konstantinova. "Door het kaliber van de instrumenten en de kwaliteit van het monster konden we onderscheid maken tussen verschillende soorten roostertrillingen."

Het team toonde aan dat de atomaire trillingen die zichtbaar zijn in de elektron-roosterinteracties gevarieerd zijn en, in sommige opzichten, contra-intuïtief.

Wanneer het rooster energie opneemt van elektronen, de amplitude van hoogfrequente fononen neemt het eerst toe, terwijl de laagfrequente trillingen het laatst toenemen. De verschillende snelheden van energiestroom tussen trillingen betekent dat het monster, wanneer ze worden blootgesteld aan een uitbarsting van fotonen, beweegt door nieuwe stadia die zouden worden omzeild als ze gewoon aan hitte zouden worden blootgesteld.

"Onze gegevens leiden de nieuwe kwantitatieve beschrijvingen van niet-evenwichtsgedrag in complexe systemen, " Zei Konstantinova. "De experimentele benadering is gemakkelijk van toepassing op andere opwindende materialen waar elektron-roosterinteracties van groot belang zijn."