Bij supergeleidende materialen elektronen paren en condenseren tot een kwantumtoestand die elektrische stroom zonder verlies voert. Dit gebeurt meestal bij zeer lage temperaturen. Wetenschappers hebben alles in het werk gesteld om nieuwe soorten supergeleiders te ontwikkelen die werken bij bijna kamertemperatuur, wat enorme hoeveelheden energie zou besparen en een nieuwe route zou openen voor het ontwerpen van kwantumelektronica. Om daar te komen, ze moeten uitzoeken wat deze vorm van supergeleiding bij hoge temperaturen veroorzaakt en hoe ze dit op aanvraag kunnen laten gebeuren.

Nutsvoorzieningen, in onafhankelijke studies gerapporteerd in Wetenschap en Natuur , wetenschappers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy en de Stanford University rapporteren twee belangrijke vorderingen:ze hebben voor het eerst collectieve trillingen van elektronen gemeten en laten zien hoe collectieve interacties van de elektronen met andere factoren de supergeleiding lijken te stimuleren.

Uitgevoerd met verschillende materialen op koperbasis en met verschillende geavanceerde technieken, de experimenten leggen nieuwe benaderingen uit om te onderzoeken hoe onconventionele supergeleiders werken.

"In principe, wat we proberen te doen is begrijpen wat een goede supergeleider maakt, " zei co-auteur Thomas Devereaux, een professor aan SLAC en Stanford en directeur van SIMES, het Stanford Institute for Materials and Energy Sciences, wiens onderzoekers beide studies leidden.

"Wat zijn de ingrediënten die aanleiding kunnen geven tot supergeleiding bij temperaturen ver boven wat ze nu zijn?" hij zei. "Deze en andere recente studies geven aan dat het atoomrooster een belangrijke rol speelt, geeft ons hoop dat we terrein winnen bij het beantwoorden van die vraag."

De puzzel op hoge temperatuur

Conventionele supergeleiders werden ontdekt in 1911, en wetenschappers weten hoe ze werken:vrij zwevende elektronen worden aangetrokken door het atomenrooster van een materiaal, die een positieve lading heeft, op een manier die hen in staat stelt te paren en te stromen als elektrische stroom met 100 procent efficiëntie. Vandaag, supergeleidende technologie wordt gebruikt in MRI-machines, maglev-treinen en deeltjesversnellers.

Maar deze supergeleiders werken alleen als ze worden gekoeld tot temperaturen zo koud als de ruimte. Dus toen wetenschappers in 1986 ontdekten dat een familie van op koper gebaseerde materialen, bekend als cuprates, supergeleidend kan zijn bij veel hogere, hoewel het nog best fris is, temperaturen, ze waren opgetogen.

De bedrijfstemperatuur van cuprates is sindsdien steeds hoger geworden - het huidige record ligt ongeveer 120 graden Celsius onder het vriespunt van water - terwijl wetenschappers een aantal factoren onderzoeken die hun supergeleiding kunnen versterken of verstoren. Maar er is nog steeds geen consensus over hoe de cuprates werken.

"De belangrijkste vraag is hoe we al deze elektronen kunnen maken, die zich heel erg als individuen gedragen en niet met anderen willen samenwerken, condenseren tot een collectieve staat waar alle partijen deelnemen en aanleiding geven tot dit opmerkelijke collectieve gedrag?" zei Zhi-Xun Shen, een SLAC/Stanford-professor en SIMES-onderzoeker die aan beide onderzoeken deelnamen.

Boost achter de schermen

Een van de nieuwe onderzoeken, bij SLAC's Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL), heeft systematisch gekeken hoe "doping" - het toevoegen van een chemische stof die de dichtheid van elektronen in een materiaal verandert - de supergeleiding en andere eigenschappen van een cuprate genaamd Bi2212 beïnvloedt.

Samenwerkende onderzoekers van het National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) in Japan maakten monsters van het materiaal met licht verschillende dopingniveaus. Vervolgens onderzocht een team onder leiding van SIMES-onderzoeker Yu He en SSRL-stafwetenschapper Makoto Hashimoto de monsters bij SSRL met hoek-opgeloste foto-emissiespectroscopie, of ARPES. Het gebruikt een krachtige straal röntgenlicht om individuele elektronen uit een monstermateriaal te schoppen, zodat hun momentum en energie kunnen worden gemeten. Dit onthult wat de elektronen in het materiaal aan het doen zijn.

In dit geval, naarmate het dopingniveau toenam, de maximale supergeleidende temperatuur van het materiaal piekte en daalde weer, Hij zei.

Het team richtte zich op monsters met bijzonder robuuste supergeleidende eigenschappen. Ze ontdekten dat drie met elkaar verweven effecten – interacties van elektronen met elkaar, met roostertrillingen en met supergeleiding zelf - versterken elkaar in een positieve feedbacklus wanneer de omstandigheden goed zijn, het stimuleren van de supergeleiding en het verhogen van de supergeleidende temperatuur van het materiaal.

Kleine veranderingen in doping veroorzaakten grote veranderingen in supergeleiding en in de interactie van elektronen met roostertrillingen, zei Devereaux. De volgende stap is om erachter te komen waarom dit specifieke dopingniveau zo belangrijk is.

"Een populaire theorie was dat in plaats van dat het atoomrooster de bron is van de elektronenparing, zoals bij conventionele supergeleiders, de elektronen in supergeleiders bij hoge temperaturen vormen op zichzelf een soort samenzwering. Dit heet elektronische correlatie, " zei Yu Hij. "Bijvoorbeeld, als je een kamer vol elektronen had, ze zouden zich verspreiden. Maar als sommigen van hen meer individuele ruimte vragen, anderen zullen dichterbij moeten komen om hen tegemoet te komen."

In dit onderzoek, Hij zei, "Wat we vinden is dat het rooster toch een rol achter de schermen heeft, en we hebben de afgelopen drie decennia misschien een belangrijk ingrediënt voor supergeleiding bij hoge temperaturen over het hoofd gezien, een conclusie die aansluit bij de resultaten van eerder onderzoek van de SIMES-groep.

Elektron 'Geluidsgolven'

De andere studie, uitgevoerd in de European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Frankrijk, gebruikte een techniek genaamd resonante inelastische röntgenverstrooiing, of RIXS, om het collectieve gedrag van elektronen in gelaagde cuprates, bekend als LCCO en NCCO, te observeren.

RIXS wekt elektronen diep in atomen op met röntgenstralen, en meet vervolgens het licht dat ze afgeven terwijl ze zich weer op hun oorspronkelijke plek nestelen.

Vroeger, de meeste studies hebben zich alleen gericht op het gedrag van elektronen in een enkele laag cupraatmateriaal, waar bekend is dat elektronen veel mobieler zijn dan tussen lagen, zei SIMES-stafwetenschapper Wei-Sheng Lee. Hij leidde de studie met Matthias Hepting, die nu aan het Max Planck Instituut voor Solid State Research in Duitsland werkt.

Maar in dit geval, het team wilde een idee testen dat door theoretici naar voren was gebracht - dat de energie die wordt gegenereerd door elektronen in de ene laag die elektronen in de volgende afstoot, een cruciale rol speelt bij het vormen van de supergeleidende toestand.

Wanneer opgewonden door licht, deze afstotingsenergie leidt elektronen om een ​​kenmerkende geluidsgolf te vormen die bekend staat als een akoestisch plasmon, waarvan theoretici voorspellen dat ze tot 20 procent van de toename van de supergeleidende temperatuur in cupraten kunnen verklaren.

Met de nieuwste RIXS-technologie, het SIMES-team was in staat om die akoestische plasmonen te observeren en te meten.

"Hier zien we voor het eerst hoe akoestische plasmonen zich door het hele rooster voortplanten, Lee zei. "Hoewel dit de vraag niet oplost waar de energie vandaan komt die nodig is om de supergeleidende toestand te vormen, het vertelt ons wel dat de gelaagde structuur zelf het gedrag van de elektronen op een zeer diepgaande manier beïnvloedt."

Deze observatie vormt de basis voor toekomstige studies die de geluidsgolven manipuleren met licht, bijvoorbeeld, op een manier die de supergeleiding verbetert, zei Lee. De resultaten zijn ook relevant voor de ontwikkeling van toekomstige plasmontechnologie, hij zei, met een scala aan toepassingen, van sensoren tot fotonische en elektronische apparaten voor communicatie.