In 1980, de ontdekking van hoge-temperatuur-supergeleiders, bekend als cuprates, zette een wijdverbreide theorie op zijn kop dat supergeleidermaterialen alleen elektrische stroom zonder weerstand voeren bij zeer lage temperaturen van ongeveer 30 Kelvin (of minus 406 graden Fahrenheit). Sinds decennia, onderzoekers zijn verbijsterd over het vermogen van sommige cuprates om supergeleidend te zijn bij temperaturen van meer dan 100 Kelvin (minus 280 graden Fahrenheit).

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy hebben een aanwijzing onthuld over de ongebruikelijke eigenschappen van de cuprates - en het antwoord ligt in een onverwachte bron:de elektronenspin. Hun paper dat het onderzoek achter deze ontdekking beschrijft, werd op 13 december in het tijdschrift gepubliceerd Wetenschap .

Elektronenspin aan de vergelijking toevoegen

Elk elektron is als een kleine magneet die in een bepaalde richting wijst. En elektronen in de meeste supergeleidermaterialen lijken hun eigen innerlijke kompas te volgen. In plaats van in dezelfde richting te wijzen, hun elektronenspins wijzen lukraak alle kanten op - sommige omhoog, wat naar beneden, anderen links of rechts.

Wanneer wetenschappers nieuwe soorten materialen ontwikkelen, ze kijken meestal naar de elektronenspin van de materialen, of de richting waarin de elektronen wijzen. Maar als het gaat om het maken van supergeleiders, natuurkundigen in de gecondenseerde materie hebben zich traditioneel niet gericht op spin, omdat de conventionele opvatting was dat alle eigenschappen die deze materialen uniek maken alleen gevormd werden door de manier waarop twee elektronen met elkaar interageren via wat bekend staat als 'elektronencorrelatie'.

Maar toen een onderzoeksteam onder leiding van Alessandra Lanzara, een faculteitswetenschapper in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en een Charles Kittel Professor of Physics aan UC Berkeley, een unieke detector gebruikt om monsters van een exotische cuprate-supergeleider te meten, Bi-2212 (bismut strontium calcium koperoxide), met een krachtige techniek genaamd SARPES (spin- en angle-resolved photoemission spectroscopie), ze ontdekten iets dat alles tartte wat ze ooit over supergeleiders hadden geweten:een duidelijk patroon van elektronenspins in het materiaal.

"Met andere woorden, we ontdekten dat er een goed gedefinieerde richting was waarin elk elektron wees gezien zijn momentum, een eigenschap die ook bekend staat als spin-momentum vergrendeling, "zei Lanzara. "Het was een grote verrassing om het te vinden in supergeleiders voor hoge temperaturen."

Een nieuwe kaart voor supergeleiders bij hoge temperaturen

In de wereld van supergeleiders, "hoge temperatuur" betekent dat het materiaal elektriciteit kan geleiden zonder weerstand bij temperaturen die hoger zijn dan verwacht, maar nog steeds bij extreem lage temperaturen ver onder nul graden Fahrenheit. Dat komt omdat supergeleiders buitengewoon koud moeten zijn om elektriciteit zonder enige weerstand te transporteren. Bij die lage temperaturen elektronen kunnen synchroon met elkaar bewegen en worden niet geraakt door wiebelende atomen, elektrische weerstand veroorzaken.

En binnen deze speciale klasse van supergeleidermaterialen voor hoge temperaturen, cuprates behoren tot de best presterende, waardoor sommige onderzoekers geloven dat ze potentieel kunnen worden gebruikt als een nieuw materiaal voor het bouwen van superefficiënte elektrische draden die stroom kunnen dragen zonder verlies van elektronenmomentum, zei mede-hoofdauteur Kenneth Gotlieb, wie was een Ph.D. student in Lanzara's lab op het moment van de ontdekking. Begrijpen waarom sommige exotische cuprate-supergeleiders zoals Bi-2212 werken bij temperaturen tot 133 Kelvin (ongeveer -220 graden Fahrenheit), zou het gemakkelijker kunnen maken om een ​​praktisch apparaat te realiseren.

Onder de zeer exotische materialen die fysici van gecondenseerde materie bestuderen, er zijn twee soorten elektroneninteracties die aanleiding geven tot nieuwe eigenschappen voor nieuwe materialen, inclusief supergeleiders, zei Gotlieb. Wetenschappers die cuprate-supergeleiders hebben bestudeerd, hebben zich gericht op slechts één van die interacties:elektronencorrelatie.

Het andere soort elektroneninteractie dat in exotische materialen wordt aangetroffen, is 'spin-orbit-koppeling' - de manier waarop het magnetische moment van het elektron interageert met atomen in het materiaal.

Spin-baankoppeling werd vaak verwaarloosd in de studies van cuprate-supergeleiders, omdat velen aannamen dat dit soort elektroneninteractie zwak zou zijn in vergelijking met elektronencorrelatie, zei co-hoofdauteur Chiu-Yun Lin, een onderzoeker in de Materials Sciences Division van het Lab en een Ph.D. student in de afdeling Natuurkunde aan UC Berkeley. Dus toen ze het ongewone spinpatroon vonden, Lin zei dat hoewel ze aangenaam verrast waren door deze eerste bevinding, ze wisten nog steeds niet zeker of het een "echte" intrinsieke eigenschap van het Bi-2212-materiaal was, of een extern effect veroorzaakt door de manier waarop het laserlicht in wisselwerking stond met het materiaal in het experiment.

Licht schijnen op elektronenspin met SARPES

In de loop van bijna drie jaar, Gotlieb en Lin gebruikten de SARPES-detector om het spinpatroon in Lanzara's lab grondig in kaart te brengen. Toen ze hogere fotonenergieën nodig hadden om een ​​groter aantal elektronen in een monster te exciteren, de onderzoekers verplaatsten de detector naast de synchrotron van Berkeley Lab, de geavanceerde lichtbron (ALS), een Amerikaanse DOE Office of Science User Facility die gespecialiseerd is in lagere energie, "zacht" röntgenlicht voor het bestuderen van de eigenschappen van materialen.

De SARPES-detector is ontwikkeld door Lanzara, samen met co-auteurs Zahid Hussain, de voormalige adjunct van de ALS-divisie, en Chris Jozwiak, een ALS-stafwetenschapper. Met de detector konden de wetenschappers de belangrijkste elektronische eigenschappen van de elektronen onderzoeken, zoals de valentiebandstructuur.

Na tientallen experimenten bij de ALS, waar het team van onderzoekers de SARPES-detector verbond met Beamline 10.0.1, zodat ze toegang hadden tot dit krachtige licht om de spin te verkennen van de elektronen die met een veel hoger momentum door de supergeleider bewegen dan die waartoe ze in het laboratorium toegang hadden, ze ontdekten dat het duidelijke spinpatroon van Bi-2212 - "niet-nul spin" genoemd, een echt resultaat was, inspireren om nog meer vragen te stellen. "Er blijven veel onopgeloste vragen op het gebied van supergeleiding bij hoge temperaturen, "zei Lin. "Ons werk levert nieuwe kennis op om de cuprate-supergeleiders beter te begrijpen, die een bouwsteen kan zijn om deze vragen op te lossen."

Lanzara voegde eraan toe dat hun ontdekking niet had kunnen plaatsvinden zonder de gezamenlijke "teamwetenschap" van Berkeley Lab, een nationaal DOE-lab met historische banden met het nabijgelegen UC Berkeley. "Dit werk is een typisch voorbeeld van waar de wetenschap heen kan als mensen met expertise uit alle wetenschappelijke disciplines samenkomen, en hoe nieuwe instrumenten de grenzen van de wetenschap kunnen verleggen, " ze zei.