Cuprates, een klasse van koperoxide-keramiek die een gemeenschappelijke bouwsteen van koper- en zuurstofatomen delen in een plat vierkant rooster, zijn onderzocht op hun vermogen om supergeleidend te zijn bij relatief hoge temperaturen. In hun ongerepte staat, echter, ze zijn een speciaal soort isolator (een materiaal dat niet gemakkelijk elektriciteit geleidt), bekend als een Mott-isolator.

Wanneer elektrische ladingsdragers - ofwel elektronen ofwel het ontbreken van elektronen, bekend als "gaten" - worden toegevoegd aan een isolator in een proces dat doping wordt genoemd, de isolator kan een metaal worden, die gemakkelijk elektriciteit geleidt, of een halfgeleider, die afhankelijk van de omgeving elektriciteit kan geleiden. Cuprates, echter, gedragen zich noch als een normale isolator, noch als een normaal metaal vanwege de sterke interacties tussen hun elektronen. Om de hoge energiekosten als gevolg van deze interacties te vermijden, de elektronen organiseren zich spontaan in een collectieve staat waarin de beweging van elk deeltje is verbonden met alle andere.

Een voorbeeld is de supergeleidende toestand, waar elektronen eenstemmig bewegen en drijven zonder netto wrijving wanneer een potentiaal wordt toegepast, een nulweerstandstoestand die een bepalend kenmerk is van een supergeleider. Een andere collectieve elektronische toestand is een "ladingsdichtheidsgolf, " een term bedacht uit de golfachtige modulatie in de dichtheid van elektronen, waarin elektronen "bevriezen" in periodieke en statische patronen, tegelijkertijd de elektronenstroom belemmeren. Deze toestand is antagonistisch voor de supergeleidende toestand, en, daarom, belangrijk om te bestuderen en te begrijpen. in kopjes, ladingsdichtheidsgolven geven er de voorkeur aan zich uit te lijnen met de atomaire rijen van koper- en zuurstofatomen die de onderliggende kristalstructuur vormen, met golf "toppen" die elke drie tot vijf eenheidscellen voorkomen, afhankelijk van het materiaal en het dopingniveau.

Met behulp van een techniek die bekend staat als resonante röntgenverstrooiing om deze ladingsdichtheidsgolven in twee verschillende cupraatverbindingen te bestuderen, neodymium koperoxide (Nd ₂ CuO ₄ of NCO) en praseodymium koperoxide (Pr ₂ CuO ₄ of PCO) gedoteerd met extra elektronen, MIT-onderzoekers deden een onverwachte ontdekking. Hun werk onthulde een fase van het materiaal waar de elektronen in een wanordelijke, of "glazig, " regeling, een "Wigner-glas" genoemd. De resultaten zijn onlangs gepubliceerd in een paper in Natuurfysica .

Resonante röntgenverstrooiing is een recent ontwikkelde diffractietechniek waarbij kristallografie wordt uitgevoerd op elektronen in plaats van uitsluitend op de atomen zoals bij conventionele röntgendiffractie. "In de limiet van lage concentratie van gedoteerde elektronen, we hebben een volledig nieuwe en onverwachte vorm van elektronische fase waargenomen die noch een superfluïde noch een kristal is, maar het heeft eerder de kenmerken van een Wigner-glas. In deze fase, de elektronen vormen een collectieve toestand zonder enige oriëntatievoorkeur, ", zegt senior auteur Riccardo Comin van de krant, assistent-professor natuurkunde aan het MIT. Zo'n amorf glas van elektronen is volkomen ongekend in deze materiaalfamilie, hij voegt toe.

Dit fenomeen doet zich alleen voor in een smal venster van elektronendoping. "Intrigerend, deze exotische nieuwe staat bestaat alleen in een klein gebied van het elektronische fasediagram van dit materiaal, en wanneer er meer elektronen worden gedoteerd in de [koperoxide]-vlakken, een meer conventioneel elektronisch kristal wordt teruggewonnen, waarvan de rimpelingen zijn uitgelijnd met de kristallografische assen van het onderliggende atoomrooster, "Min Gu Kang, hoofdauteur van de krant, verklaart.

Het MIT-team, bestaande uit Comin, afgestudeerde student Kang, en postdoc Jonathan Pelliciari, ontwierp het project en leidde de meeste experimenten. Hun onderzoek werd mogelijk gemaakt door de bijdragen van onderzoekers van verschillende instellingen en faciliteiten wereldwijd. Resonante röntgenverstrooiingsmetingen werden uitgevoerd bij meerdere synchrotronfaciliteiten, waaronder de Berlin Electron Storage Ring in Duitsland, de Canadese lichtbron in Saskatoon, Saskatchewan, Canada, en de geavanceerde lichtbron, in Berkeley, Californië. De dunne-filmmonsters van koperoxide werden gekweekt bij NTT Basic Research Laboratories in Japan. Theoretische analyse is ontwikkeld door onderzoekers van het Indian Institute of Science in India.

Comin merkt op dat de voorgestelde theorie de rol verklaart van de elektronische bandstructuur bij het bepalen van de periodieke afstand en het gebrek aan oriëntatievoorkeur van de dichtheidsgolven als een functie van het dopingniveau in dit materiaal. "Onze theorie suggereert dat deze elektronische rimpelingen aanvankelijk worden gevormd met onregelmatige vormen en waarschijnlijk zijn gevormd rond defecten of onzuiverheden in het materiaal, " zegt Comin. "Als de dichtheid van dragers toeneemt, de elektronen slagen erin een meer geordende opstelling te vinden die de totale energie van het systeem minimaliseert, waardoor de meer conventionele ladingsdichtheidsgolven worden hersteld die universeel zijn waargenomen in alle families van koperoxide-supergeleiders."

"Ik was helemaal weggeblazen door Riccardo's resultaten op NCO en PCO, " zegt Peter Abbamonte, Fox Family Professor in Engineering aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, die de resonante zachte röntgenverstrooiingstechniek ontwikkelde. Opmerkend dat de volgorde van de ladingsdichtheidsgolf (CDW) in cuprates al meer dan een decennium in het midden van het veld staat, Abbamonte, die niet bij dit onderzoek betrokken was, legt uit dat het eerdere begrip was dat de CDW-volgorde aan het kristalrooster is vastgemaakt, wat betekent dat de ladingsdichtheidsgolf in een van twee loodrechte richtingen moet wijzen, maar nergens tussenin. Deze conventionele wijsheid is gebaseerd op twee decennia van resonante verstrooiing en scanning tunneling microscopie-experimenten die altijd hebben aangetoond dat dit het geval is, merkt hij op.

Comin's onderzoek naar deze specifieke met elektronen gedoteerde cupraten toonde aan dat tijdens de glasachtige fase de ladingsvolgorde in elke richting kan wijzen, onafhankelijk van het kristalrooster waarin het leeft. "De preciezere verklaring is dat de CDW-ordeparameter niet Ising-achtig is (dat wil zeggen, alleen discrete waarden nemen, in dit geval twee:x of y), zoals altijd werd aangenomen, maar lijkt meer op een XY-ordeparameter (dat wil zeggen, vrij om elke waarde te kiezen op een continu bereik, zoals alle richtingen tussen x en y zoals hier het geval is) die slechts zwak beïnvloed wordt door het kristal, ' Zegt Abbamonte.

"Het zal enige tijd duren voordat de gemeenschap dit besef en de implicaties ervan volledig heeft verwerkt voor het begrijpen van de relevantie van de CDW-orde, " Abbamonte voegt toe. "Het is duidelijk dat Riccardo's paper zal leiden tot een serieuze herberekening van de spelregels, en in die zin is het een grote vooruitgang voor het veld."

Supergeleiders hebben een enorme, grotendeels onbenut potentieel voor transformatieve toepassingen zoals quantum computing, verliesvrij energietransport, magnetische detectie en medische diagnostische beeldvorming, en plasma- en kernfusie-energietechnologieën.

"Algemeen, onze studie heeft nog een andere manifestatie onthuld van het voortreffelijke kwantumkarakter van ladingsdragers in supergeleiders bij hoge temperatuur, die uiteindelijk voortvloeit uit de aard van de elektronische interacties, " zegt Comin. "Het gedetailleerde gedrag van elektronen die in dit werk zijn blootgelegd, geeft nieuwe inzichten over hoe supergeleiding bij hoge temperaturen wordt geboren uit een Mott-isolator, en belooft een kloof te overbruggen tussen regio's van het fasediagram met zeer contrasterende fenomenologieën."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.