Sommige op ijzer gebaseerde supergeleiders kunnen baat hebben bij een tune-up, volgens twee onderzoeken van fysici en medewerkers van Rice University.

"Ons werk demonstreert een nieuw ontwerpprincipe voor het afstemmen van kwantummaterialen om onconventionele supergeleiding bij hogere temperaturen te bereiken, " zei Rice's Qimiao Si, de leidende theoretisch fysicus van de studies, die ongebruikelijke patronen van supergeleiding onderzoeken die eerder zijn gemeld in ijzerselenide.

"We laten zien hoe nematiciteit, een ongebruikelijke elektronische bestelling, kan de kans vergroten dat supergeleiding ontstaat door elektronenparen in specifieke orbitalen, " zei Si, directeur van het Rice Center for Quantum Materials (RCQM) en de Harry C. en Olga K. Wiess Professor of Physics and Astronomy. "Het afstemmen van materialen om dit effect te versterken, zou supergeleiding bij hogere temperaturen kunnen bevorderen."

Elektrische stroom verwarmt bedrading, dankzij het gedrang van talloze elektronen, die elke keer dat ze tegen iets botsen energie verliezen. Ongeveer 6 procent van de elektriciteit op het Amerikaanse elektriciteitsnet gaat verloren aan deze verwarming, of elektrische weerstand, elk jaar. In tegenstelling tot, de elektronen in supergeleiders vormen paren die moeiteloos stromen, zonder weerstand of hitte.

Ingenieurs dromen er al lang van om supergeleiding te gebruiken voor energie-efficiënt computergebruik, elektriciteitsnetten en meer, maar elektronen zijn beruchte eenlingen, het meest bestudeerde lid van een kwantumfamilie genaamd fermionen. Fermionen zijn zo gekant tegen het delen van ruimte met elkaar dat het bekend is dat ze in plaats daarvan tijdelijk verdwijnen. Vanwege hun eigenzinnige kwantumkarakter, het overhalen van elektronen om paren te vormen vereist vaak extreme omstandigheden, zoals intense druk of temperaturen die kouder zijn dan in de verre ruimte.

Onconventionele supergeleiding - het soort dat voorkomt in materialen zoals ijzerselenide - is anders. Om redenen die natuurkundigen niet volledig kunnen verklaren, elektronen in onconventionele supergeleiders vormen paren bij relatief hoge temperaturen. Het gedrag is de afgelopen 40 jaar in tientallen materialen gedocumenteerd. En hoewel het exacte mechanisme een mysterie blijft, natuurkundigen zoals Si hebben geleerd te voorspellen hoe onconventionele supergeleiders zich in sommige situaties zullen gedragen.

In de nieuwe onderzoeken Si, Rice afgestudeerde student Haoyu Hu en medewerkers gebruikten een theoretisch model van "orbitaal-selectieve koppeling" om zowel eerdere experimentele resultaten van ijzerselenide te verklaren als om te voorspellen hoe het en andere materialen zich onder andere omstandigheden zullen gedragen. Het team omvatte Haoyu Hu, afgestudeerde student aan de Rice University, Rong Yu van de Renmin Universiteit van China, Emilian Nica van de Arizona State University en Jian-Xin Zhu van het Los Alamos National Laboratory. In zijn model, elektronen in sommige atomaire schillen hebben meer kans om paren te vormen dan andere. Si zei dat een manier om dit te visualiseren is door te denken aan atomaire orbitalen zoals rijstroken op een snelweg.

"Auto's rijden met verschillende snelheden op verschillende rijstroken, "zei hij. "We verwachten dat degenen op de linkerbaan het snelst bewegen, maar dat is niet altijd het geval. Als er veel auto's op de snelweg rijden, andere rijstroken kunnen sneller bewegen. De elektronen in onconventionele supergeleiders zijn als de auto's op een drukke snelweg. Ze moeten elkaar ontwijken en kunnen uiteindelijk vast komen te zitten in één rijstrook. Afstemmen op elektronische orde is een manier om elektronen over te halen naar specifieke orbitalen, net als de snelwegkegels en barrières die auto's naar specifieke rijstroken leiden."

In 2008 werden op ijzer gebaseerde hoge-temperatuur-supergeleiders ontdekt en Si en medewerkers boden een van de eerste theorieën aan om ze te verklaren:ze afkoelen tot de buurt van een kwantumkritisch punt leidt tot uitgesproken gecorreleerde elektroneneffecten, gedrag dat voortkomt uit en alleen kan worden begrepen door elektronen te zien als een collectief systeem in plaats van als veel individuele objecten.

De nieuwe papieren, die verscheen in Fysieke beoordelingsbrieven ( PRL ) en Fysieke beoordeling B ( PRB ), voortbouwen op het onderzoek dat Si samen met Yu en Nica heeft uitgevoerd tijdens hun postdoctorale en graduate studies aan Rice. In 2013, Si en Yu toonden aan dat orbitaal-selectief gedrag ertoe kan leiden dat alkalische ijzerseleniden tegelijkertijd de tegenstrijdige eigenschappen van zowel metalen als isolatoren vertonen. in 2017, Si, Nica en collega's toonden aan dat het mogelijk is dat ijzerseleniden een supergeleidende toestand hebben waarin elektronenparen die zijn geassocieerd met een orbitaal van een subschil heel anders waren dan die van een nauw verwante orbitaal in dezelfde subschil.

"In het huidige werk we hebben aangetoond dat een nematische orde de orbitale selectiviteit in de normale toestand drastisch verbetert bij temperaturen boven de supergeleidende overgangstemperatuur, " zei Yu, hoofdauteur van de PRL papier.

In nematische systemen, er is een hogere graad van orde in de ene richting dan in de andere. In een doos ongekookte spaghetti, bijvoorbeeld, de noedels zijn in de lengte uitgelijnd maar ongeordend als ze in de loodrechte richting worden bekeken.

Om de aard van supergeleiding te analyseren in aanwezigheid van de nematische elektronische orde, Ja, Si en collega's analyseerden de "supergeleidende kloof, " een maat die de energiekosten vergelijkt die gepaard gaan met het uiteenvallen van elektronenparen in de nematische richting en de loodrechte richting. Hun berekeningen brachten een groot verschil aan het licht.

"Onze resultaten bieden een natuurlijk begrip van zeer opvallende resultaten die onlangs werden gerapporteerd op basis van nauwgezette metingen van de supergeleidende opening in ijzerselenide met scanning tunneling microscopie, " zei Hu, de hoofdauteur van de PRB papier.

Si zei dat het werk "licht werpt op het samenspel tussen orbitaal-selectieve koppeling en elektronische bestellingen, die belangrijke ingrediënten lijken te zijn voor onconventionele supergeleiding in zowel op ijzer gebaseerde supergeleiders als andere sterk gecorreleerde kwantummaterialen."