UBC-onderzoekers hebben een ongekende glimp opgevangen van de geboorte van supergeleiding bij hoge temperaturen in cuprates, het beslechten van een wetenschappelijk debat en het ontdekken van nieuwe wegen om het potentieel van andere onconventionele supergeleiders te verkennen.

Voor deze studie is onderzoekers bestudeerden cuprate onconventionele supergeleiders, materialen die beginnen over te gaan naar supergeleiding bij een recordhoge temperatuur van ongeveer -170 C. De meeste conventionele supergeleiders vereisen zeer lage temperaturen rond het absolute nulpunt of -273 C. Supergeleiders vertonen verbazingwekkende fysische eigenschappen – zoals magnetische levitatie of verliesvrije krachtoverbrenging – die leiden tot nieuwe technologieën.

Wetenschappers hebben lang gedebatteerd over het belangrijkste ingrediënt dat ervoor zorgt dat de cuprates supergeleidend worden bij hoge temperaturen:treedt supergeleiding op wanneer elektronen in paren aan elkaar binden, bekend als Cooper-paren, of wanneer die paren macroscopische fasecoherentie vaststellen?

Onderzoekers van het Stewart Blusson Quantum Matter Institute (SBQMI) van UBC gebruikten een ultramoderne, ultrasnelle laser gefinancierd door de Gordon en Betty Moore Foundation om de vraag te beantwoorden.

Het onderzoek geeft aan dat de aanwezigheid van een aantrekkelijke "lijm", elektronen in paren binden, is noodzakelijk maar niet voldoende om de supergeleidende toestand te stabiliseren. Liever, de Cooper-paren moeten zich als geheel coherent gedragen om een ​​communicatielijn tot stand te brengen, met een enkele macroscopische kwantumfase.

"In grote lijnen je kunt je fasecoherentie voorstellen die lijkt op een groot ensemble van pijlen die allemaal in dezelfde richting zijn uitgelijnd, " zei Fabio Boschini, hoofdauteur van de studie en een postdoctoraal onderzoeker bij de SBQMI. "Als de Cooper paren, geschetst als pijlen, in willekeurige richtingen wijzen, fasecoherentie gaat verloren."

De fasecoherentie ontstaat op een tijdschaal van enkele honderden femtoseconden (één femtoseconde is gelijk aan één quadriljoenste van een seconde). Gebruikmakend van de gepulseerde laserbronnen en faciliteiten in SBQMI's nieuwe UBC-Moore Center for Ultrafast Quantum Matter, onderzoekers hebben een nieuwe onderzoekstechniek ontwikkeld om te "kijken" wat er met de elektronen van het materiaal gebeurt tijdens die ultrasnelle tijdschalen. De inspanning onthulde de sleutelrol van fasecoherentie bij het aansturen van de overgang naar de supergeleidende toestand van koperoxiden.

"Dankzij zeer recente ontwikkelingen in gepulseerde laserbronnen beginnen we nog maar net de dynamische eigenschappen van kwantummaterialen te visualiseren, " zei Andrea Damascelli, leider van het onderzoeksteam en de wetenschappelijk directeur van de SBQMI. "Door deze baanbrekende technieken toe te passen, ons onderzoeksteam wil de ongrijpbare mysteries van supergeleiding bij hoge temperatuur en andere fascinerende fenomenen van kwantummaterie onthullen."

De studie is gepubliceerd in Natuurmaterialen .