Wetenschappers van het National High Magnetic Field Laboratory, met het hoofdkantoor van de Florida State University, hebben een gedrag ontdekt in materialen die cuprates worden genoemd, wat suggereert dat ze op een geheel andere manier stroom voeren dan conventionele metalen zoals koper.

Het onderzoek, vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap , voegt een nieuwe betekenis toe aan de naam van de materialen, "vreemde metalen."

Cuprates zijn hoge-temperatuur supergeleiders (HTS), wat betekent dat ze stroom kunnen voeren zonder energieverlies bij iets warmere temperaturen dan conventioneel, lage temperatuur supergeleiders (LTS). Hoewel wetenschappers de fysica van LTS begrijpen, ze hebben de noot van HTS-materialen nog niet gekraakt. Hoe de elektronen precies door deze materialen reizen, blijft het grootste mysterie in het veld.

Voor hun onderzoek naar één specifieke cuprate, lanthaan strontium koperoxide (LSCO), een team onder leiding van MagLab-fysicus Arkady Shekhter concentreerde zich op zijn normale, metallische toestand - de toestand waaruit supergeleiding uiteindelijk ontstaat wanneer de temperatuur laag genoeg daalt. Deze normale toestand van cuprates staat bekend als een "vreemd" of "slecht" metaal, gedeeltelijk omdat de elektronen elektriciteit niet bijzonder goed geleiden.

Wetenschappers bestuderen al meer dan een eeuw conventionele metalen en zijn het er in het algemeen over eens hoe elektriciteit er doorheen gaat. Ze noemen de eenheden die lading door die metalen voeren "quasideeltjes, " die in wezen elektronen zijn nadat ze rekening hebben gehouden met hun omgeving. Deze quasideeltjes werken bijna onafhankelijk van elkaar omdat ze elektrische lading door een geleider dragen.

Maar verklaart de quasideeltjesstroom ook hoe elektrische stroom zich in de cuprates voortplant? In de Pulsed Field Facility van het National MagLab in Los Alamos, New Mexico, Shekhter en zijn team onderzochten de vraag. Ze zetten LSCO in een zeer hoog magnetisch veld, zette er een stroom op, vervolgens de weerstand gemeten.

Uit de resulterende gegevens bleek dat de stroom niet, in feite, reizen via conventionele quasideeltjes, zoals in koper of gedoteerd silicium. De normale metallische toestand van de cuprate, het verscheen, was alles behalve normaal.

"Dit is een nieuwe manier waarop metalen elektriciteit kunnen geleiden die niet een stelletje quasideeltjes is die rondvliegen, wat tot nu toe de enige goed begrepen en overeengekomen taal is, ' zei Shekhter. 'De meeste metalen werken zo.'

Indien niet door quasideeltjes, hoe wordt lading precies gedragen in de vreemde metaalfase van LSCO? De gegevens suggereren dat het een soort teaminspanning van de elektronen kan zijn.

Wetenschappers weten al een tijdje over een intrigerend gedrag van LSCO:in zijn normale geleidende toestand, weerstand verandert lineair met de temperatuur. Met andere woorden, als de temperatuur stijgt, De weerstand van LSCO tegen elektrische stroom stijgt evenredig, wat niet het geval is bij conventionele metalen.

Shekhter en zijn collega's besloten de weerstand van LSCO te testen, maar met behulp van magnetisch veld als parameter in plaats van temperatuur. Ze stopten het materiaal in een zeer krachtige magneet en maten de weerstand in velden tot 80 tesla. (Een MRI-magneet van een ziekenhuis, ter vergelijking, genereert een veld van ongeveer 3 teslas). Ze ontdekten nog een geval van lineaire soortelijke weerstand:naarmate de sterkte van het magnetische veld toenam, De soortelijke weerstand van LSCO ging proportioneel omhoog.

Het feit dat de lineaire-in-field-weerstand zo elegant de eerder bekende lineaire-in-temperatuurweerstand van LSCO weerspiegelde, is zeer significant, zei Shechter.

"Meestal als je zulke dingen ziet, dat betekent dat er een heel eenvoudig principe achter zit, " hij zei.

De bevinding suggereert dat de elektronen lijken samen te werken terwijl ze door het materiaal bewegen. Natuurkundigen geloven al enige tijd dat HTS-materialen zo'n "gecorreleerd elektronengedrag" vertonen in de supergeleidende fase, hoewel het precieze mechanisme nog niet wordt begrepen.

Dit nieuwe bewijs suggereert dat LSCO in zijn normale geleidende toestand ook stroom kan voeren met iets anders dan onafhankelijke quasideeltjes - hoewel het geen supergeleiding is, of. Wat dat "iets" is, wetenschappers zijn nog niet zeker. Het vinden van het antwoord kan een geheel nieuwe manier van kijken naar het probleem vereisen.

"Hier hebben we een situatie waarin geen enkele bestaande taal kan helpen, "Zei Shekhter. "We moeten een nieuwe taal vinden om over deze materialen na te denken."

Het nieuwe onderzoek roept veel vragen op en enkele prikkelende ideeën, inclusief ideeën over de fundamenteel andere manier waarop weerstand in cuprates zou kunnen worden afgestemd. In conventionele metalen, legde Shekhter uit, weerstand kan op meerdere manieren worden afgesteld:stel je een set wijzerplaten voor, die die eigenschap zouden kunnen aanpassen.

Maar in kopjes, Shekhter zei, "Er is maar één draaiknop om de weerstand aan te passen. En zowel temperatuur als magnetisch veld, op hun eigen manier, toegang tot die ene wijzerplaat."

Vreemd, inderdaad. Maar van vreemde metalen, men zou niets minder verwachten.