Er is een letterlijke verstoring in de kracht die verandert wat natuurkundigen lang hebben gezien als een kenmerk van supergeleiding, volgens wetenschappers van Rice University.

Rijstfysici Pengcheng Dai en Andriy Nevidomskyy en hun collega's gebruikten simulaties en neutronenverstrooiingsexperimenten die de atomaire structuur van materialen laten zien om kleine vervormingen van het kristalrooster in een zogenaamde ijzerpnictide-verbinding van natrium te onthullen, ijzer, nikkel en arseen.

Deze lokale vervormingen werden waargenomen bij de anders symmetrische atomaire orde in het materiaal bij ultrakoude temperaturen nabij het punt van optimale supergeleiding. Ze geven aan dat onderzoekers misschien wat speelruimte hebben terwijl ze werken aan het verhogen van de temperatuur waarbij ijzerpnictiden supergeleiders worden.

De vondst meldde deze week in Natuurcommunicatie is het resultaat van bijna twee jaar werk door het Rice-team en medewerkers in de VS, Duitsland en China.

Dai en Nevidomskyy, beide leden van het Rice Centre for Quantum Materials (RCQM), zijn geïnteresseerd in de fundamentele processen die aanleiding geven tot nieuwe collectieve fenomenen zoals supergeleiding, waardoor materialen elektrische stroom zonder weerstand kunnen overbrengen.

Wetenschappers vonden oorspronkelijk supergeleiding bij ultrakoude temperaturen waardoor atomen kunnen samenwerken op manieren die bij kamertemperatuur niet mogelijk zijn. Zelfs bekende "hoge temperatuur" supergeleiders bereiken een top van 134 Kelvin bij omgevingsdruk, gelijk aan min 218 graden Fahrenheit.

Dus als er enige hoop is op wijdverbreid praktisch gebruik van supergeleiding, wetenschappers moeten mazen vinden in de basisfysica van hoe atomen en hun bestanddelen zich onder verschillende omstandigheden gedragen.

Dat hebben de Rice-onderzoekers gedaan met het ijzerpnictide, een "onconventionele supergeleider" van natrium, ijzer en arseen, vooral wanneer gedoteerd met nikkel.

Om elk materiaal supergeleidend te maken, het moet worden gekoeld. Dat stuurt het door drie overgangen:Ten eerste, een structurele faseovergang die het rooster verandert; tweede, een magnetische overgang die paramagnetische materialen lijkt te veranderen in antiferromagneten waarin de spins van de atomen in afwisselende richtingen zijn uitgelijnd; en ten derde, de overgang naar supergeleiding. Soms zijn de eerste en tweede fase bijna gelijktijdig, afhankelijk van het materiaal.

In de meeste onconventionele supergeleiders, elke fase is van cruciaal belang voor de volgende, aangezien elektronen in het systeem zich beginnen te binden in Cooper-paren, piekcorrelatie bereiken op een kwantumkritisch punt, het punt waarop magnetische orde wordt onderdrukt en supergeleiding verschijnt.

Maar in de pnictide supergeleider, de onderzoekers vonden de eerste overgang een beetje wazig, omdat een deel van het rooster een eigenschap kreeg die bekend staat als een nematische fase. Nematic is afgeleid van het Griekse woord voor "draadachtig" en is verwant aan de fysica van vloeibare kristallen die worden uitgelijnd als reactie op een kracht van buitenaf.

De sleutel tot de supergeleiding van het materiaal lijkt te liggen in een subtiele eigenschap die uniek is voor ijzerpnictiden:een structurele overgang in het kristalrooster, de geordende rangschikking van zijn atomen, van tetragonaal naar orthorhombisch. In een tetragonaal kristal, de atomen zijn gerangschikt als kubussen die in één richting zijn uitgerekt. Een orthorhombische structuur heeft de vorm van een baksteen.

Van natrium-ijzer-arseen-pnictide-kristallen is bekend dat ze tetragonaal zijn totdat ze zijn afgekoeld tot een overgangstemperatuur die het rooster dwingt orthorhombisch te worden, een stap in de richting van supergeleiding die optreedt bij lagere temperaturen. Maar de Rice-onderzoekers waren verrast om abnormale orthorhombische regio's ruim boven die structurele overgangstemperatuur te zien. Dit gebeurde in monsters die minimaal met nikkel waren gedoteerd en aanhield toen de materialen te veel werden gedoteerd, meldden ze.

"In de tetragonale fase, de (vierkante) A en B richtingen van het rooster zijn absoluut gelijk, " zei Dai, die neutronenverstrooiingsexperimenten uitvoerde om het materiaal te karakteriseren in het Oak Ridge National Laboratory, het National Institute of Standards and Technology Center for Neutron Research en de Research Neutron Source in het Heinz Maier-Leibnitz Center.

"Als je het afkoelt, het wordt aanvankelijk orthorhombisch, wat betekent dat het rooster spontaan in één as instort, en toch is er nog steeds geen magnetische orde. We ontdekten dat door zeer nauwkeurig deze roosterparameter en de vervorming van de temperatuurafhankelijkheid te meten, we waren in staat om te vertellen hoe het rooster verandert als functie van de temperatuur in het paramagnetische tetragonale regime."

Ze waren verrast om zakjes met een supergeleidende nematische fase te zien die het rooster naar de orthorhombische vorm scheeftrekken, zelfs boven de eerste overgang.

"Het hele artikel suggereert dat er lokale vervormingen zijn die optreden bij een temperatuur waarbij het systeem, in principe, moet tetragonaal zijn, " zei Dai. "Deze lokale vervormingen veranderen niet alleen als een functie van temperatuur, maar 'weten' eigenlijk over supergeleiding. Vervolgens, hun temperatuurafhankelijkheid verandert bij optimale supergeleiding, wat suggereert dat het systeem een ​​nematisch kwantumkritisch punt heeft, wanneer lokale nematische fasen worden onderdrukt.

"In principe, het vertelt je dat deze nematische orde concurreert met supergeleiding zelf, " zei hij. "Maar het suggereert dat de nematische fluctuatie ook supergeleiding kan helpen, omdat het de temperatuurafhankelijkheid verandert rond optimale doping."

Door dat punt van optimale doping te kunnen manipuleren, kunnen onderzoekers beter in staat zijn materialen te ontwerpen met nieuwe en voorspelbare eigenschappen.

"De elektronische nematische fluctuaties worden erg groot in de buurt van het kwantumkritieke punt, en ze worden vastgepind door lokale kristalonvolkomenheden en onzuiverheden, die zich manifesteren in de lokale vervormingen die we meten, " zei Nevidomskyy, die de theoretische kant van het onderzoek leidde. "Het meest intrigerende aspect is dat supergeleiding het sterkst is wanneer dit gebeurt, wat suggereert dat deze nematische fluctuaties een belangrijke rol spelen bij de vorming ervan."