Wetenschappers die de kwantumkenmerken van supergeleiders in kaart brengen - materialen die elektriciteit geleiden zonder energieverlies - zijn een nieuw regime ingegaan. Met behulp van nieuw verbonden tools genaamd OASIS in het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie, ze hebben voorheen ontoegankelijke details ontdekt van het "fasediagram" van een van de meest bestudeerde "hoge temperatuur" supergeleiders. De nieuw in kaart gebrachte gegevens bevatten signalen van wat er gebeurt als supergeleiding verdwijnt.

"In termen van supergeleiding, dit klinkt misschien slecht, maar als je een fenomeen bestudeert, het is altijd goed om het vanuit zijn oorsprong te kunnen benaderen, " zei Brookhaven-natuurkundige Tonica Valla, wie leidde de studie die zojuist in het tijdschrift is gepubliceerd? Natuurcommunicatie . "Als je de kans krijgt om te zien hoe supergeleiding verdwijnt, dat zou op zijn beurt inzicht kunnen geven in de oorzaak van supergeleiding in de eerste plaats."

Het ontsluiten van de geheimen van supergeleiding is veelbelovend bij het aanpakken van energie-uitdagingen. Materialen die stroom over lange afstanden kunnen transporteren zonder verlies, zouden een revolutie teweegbrengen in de krachtoverbrenging. elimineren de noodzaak voor het koelen van computerverpakte datacenters, en leiden tot nieuwe vormen van energieopslag, bijvoorbeeld. De kink in de kabel is dat, Momenteel, meest bekende supergeleiders, zelfs de "hoge temperatuur" variëteiten, moeten zelf superkoud worden gehouden om hun stroomvoerende magie uit te voeren. Dus, wetenschappers hebben geprobeerd de belangrijkste kenmerken te begrijpen die supergeleiding in deze materialen veroorzaken met als doel nieuwe materialen te ontdekken of te creëren die kunnen werken bij temperaturen die praktischer zijn voor deze alledaagse toepassingen.

Het Brookhaven-team bestudeerde een bekende hogetemperatuur-supergeleider gemaakt van lagen die bismutoxide bevatten, strontiumoxide, calcium, en koperoxide (afgekort als BSCCO). Door kristallen van dit materiaal te splijten, ontstaan ​​ongerepte bismutoxide-oppervlakken. Toen ze de elektronische structuur van het ongerepte gespleten oppervlak analyseerden, ze zagen veelbetekenende tekenen van supergeleiding bij een overgangstemperatuur (Tc) van 94 Kelvin (-179 graden Celsius) - de hoogste temperatuur waarbij supergeleiding optreedt voor dit goed bestudeerde materiaal.

Het team verwarmde vervolgens monsters in ozon (O3) en ontdekte dat ze hoge dopingniveaus konden bereiken en voorheen onontgonnen delen van het fasediagram van dit materiaal konden verkennen. dat is een kaartachtige grafiek die laat zien hoe het materiaal zijn eigenschappen verandert bij verschillende temperaturen onder verschillende omstandigheden (vergelijkbaar met de manier waarop je de temperatuur- en drukcoördinaten in kaart kunt brengen waarbij vloeibaar water bevriest wanneer het wordt afgekoeld, of overgaat op stoom bij verhitting). In dit geval, de variabele waarin de wetenschappers geïnteresseerd waren, was hoeveel vacatures, of "gaten, " waren toegevoegd, of "gedoteerd" in het materiaal door de blootstelling aan ozon. Gaten vergemakkelijken de stroom door de ladingen (elektronen) ergens heen te geven.

"Voor dit materiaal als je begint met het kristal van de 'ouder' verbinding, wat een isolator is (wat betekent dat er geen geleidbaarheid is), de introductie van gaten resulteert in supergeleiding, " zei Valla. Naarmate er meer gaten worden toegevoegd, de supergeleiding wordt sterker en bij hogere temperaturen tot een maximum van 94 Kelvin, hij legde uit. "Vervolgens, met meer gaten, het materiaal wordt 'overgedoteerd, ' en Tc gaat naar beneden - voor dit materiaal, tot 50K.

"Tot deze studie, er was niets voorbij dat punt bekend omdat we geen kristallen boven dat niveau konden dopen. Maar onze nieuwe gegevens brengen ons naar een punt van doping ver boven de vorige limiet, tot een punt waar Tc niet meetbaar is."

zei Valla, "Dat betekent dat we nu de hele koepelvormige curve van supergeleiding in dit materiaal kunnen verkennen, dat is iets dat niemand eerder heeft kunnen doen."

Het team heeft monsters gemaakt die in vacuüm zijn verwarmd (om ondergedoteerd materiaal te produceren) en in ozon (om overgedoteerde monsters te maken) en punten uitgezet langs de hele supergeleidende koepel. Ze ontdekten enkele interessante kenmerken in de voorheen onontgonnen "verre kant" van het fasediagram.

"Wat we zagen is dat dingen veel eenvoudiger worden, "Zei Valla. Enkele van de eigenaardige kenmerken die aan de goed onderzochte kant van de kaart bestaan ​​en het begrip van wetenschappers van supergeleiding bij hoge temperaturen compliceren - dingen zoals een "pseudogap" in de elektronische handtekening, en variaties in de spin- en ladingsdichtheid van de deeltjes - verdwijnen aan de overgedoteerde andere kant van de koepel.

"Deze kant van het fasediagram lijkt een beetje op wat we verwachten te zien in meer conventionele supergeleiding, " zei Valla, verwijzend naar de oudst bekende op metaal gebaseerde supergeleiders.

"Als supergeleiding vrij is van deze andere dingen die het plaatje compliceren, wat overblijft is supergeleiding die misschien niet zo onconventioneel is, "voegde hij eraan toe. "We weten misschien nog steeds niet de oorsprong ervan, maar aan deze kant van het fasediagram, het lijkt op iets dat de theorie gemakkelijker aankan, en het geeft je een eenvoudigere manier om naar het probleem te kijken om te proberen te begrijpen wat er aan de hand is."