Wetenschappers die het mechanisme probeerden te begrijpen dat ten grondslag ligt aan supergeleiding in "streepgeordende" cupraten - koperoxidematerialen met afwisselende gebieden van elektrische lading en magnetisme - ontdekten een ongebruikelijke metaaltoestand bij een poging om supergeleiding uit te schakelen. Ze ontdekten dat onder de omstandigheden van hun experiment, zelfs nadat het materiaal zijn vermogen om elektrische stroom te dragen verliest zonder energieverlies, het behoudt enige geleidbaarheid - en mogelijk de elektronen (of gaten) paren die nodig zijn voor zijn supergeleidende superkracht.

"Dit werk levert indirect bewijs dat de streepgeordende rangschikking van ladingen en magnetisme goed is voor het vormen van de ladingsdragerparen die nodig zijn om supergeleiding te laten ontstaan, " zei John Tranquada, een natuurkundige bij het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie.

Tranquada en zijn co-auteurs van Brookhaven Lab en het National High Magnetic Field Laboratory aan de Florida State University, waar een deel van het werk is gedaan, beschrijven hun bevindingen in een paper dat net is gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang . Een verwant papier in de Proceedings van de National Academy of Sciences door co-auteur Alexei Tsvelik, een theoreticus bij Brookhaven Lab, geeft inzicht in de theoretische onderbouwing van de waarnemingen.

De wetenschappers bestudeerden een bepaalde formulering van lanthaan-bariumkoperoxide (LBCO) die een ongebruikelijke vorm van supergeleiding vertoont bij een temperatuur van 40 Kelvin (-233 graden Celsius). Dat is relatief warm op het gebied van supergeleiders. Conventionele supergeleiders moeten met vloeibaar helium worden gekoeld tot temperaturen in de buurt van -273 ° C (0 Kelvin of het absolute nulpunt) om stroom te voeren zonder energieverlies. Het begrijpen van het mechanisme achter een dergelijke "hoge temperatuur" supergeleiding kan leiden tot de ontdekking of het strategische ontwerp van supergeleiders die bij hogere temperaturen werken.

"In principe, dergelijke supergeleiders zouden de elektriciteitsinfrastructuur kunnen verbeteren met energieloze hoogspanningstransmissielijnen, "Tranquada zei, "of worden gebruikt in krachtige elektromagneten voor toepassingen zoals magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) zonder dat dure koeling nodig is."

Het mysterie van hoge Tc

LBCO was de eerste hoge-temperatuur (high-Tc) supergeleider die werd ontdekt, zo'n 33 jaar geleden. Het bestaat uit lagen koperoxide, gescheiden door lagen bestaande uit lanthaan en barium. Barium draagt ​​minder elektronen dan lanthaan bij aan de koperoxidelagen, dus in een bepaalde verhouding, de onbalans laat vacatures van elektronen achter, bekend als gaten, in de cuprate-vlakken. Die gaten kunnen fungeren als ladingsdragers en paren, net als elektronen, en bij temperaturen onder 30K, stroom kan zonder weerstand in drie dimensies door het materiaal bewegen - zowel binnen als tussen de lagen.

Een vreemd kenmerk van dit materiaal is dat, in de koperoxidelagen, bij de specifieke bariumconcentratie, de gaten scheiden zich in "strepen" die worden afgewisseld met gebieden met magnetische uitlijning. Sinds deze ontdekking in 1995, er is veel discussie geweest over de rol die deze strepen spelen bij het induceren of remmen van supergeleiding.

In 2007, Tranquada en zijn team ontdekten de meest ongewone vorm van supergeleiding in dit materiaal bij de hogere temperatuur van 40K. Als ze de hoeveelheid barium veranderden tot net onder de hoeveelheid die 3D-supergeleiding mogelijk maakte, ze observeerden 2D-supergeleiding - dat wil zeggen alleen binnen de koperoxidelagen, maar niet ertussen.

"De supergeleidende lagen lijken van elkaar te ontkoppelen, "Tsvelik, de theoreticus, zei. De stroom kan nog steeds zonder verlies in elke richting binnen de lagen stromen, maar er is een soortelijke weerstand in de richting loodrecht op de lagen. Deze waarneming werd geïnterpreteerd als een teken dat ladingsdragerparen "paardichtheidsgolven" vormden met oriëntaties loodrecht op elkaar in aangrenzende lagen. "Daarom kunnen de paren niet van laag naar de andere springen. Het zou hetzelfde zijn als proberen in te voegen in het verkeer dat zich in een loodrechte richting beweegt. Ze kunnen niet samenvoegen, ' zei Tsvelik.

Supergeleidende strepen zijn moeilijk te doden

In het nieuwe experiment de wetenschappers doken dieper in het onderzoeken van de oorsprong van de ongewone supergeleiding in de speciale formulering van LBCO door te proberen het te vernietigen. "Vaak testen we dingen door ze te laten mislukken, "Zei Tranquada. Hun methode van vernietiging was het materiaal bloot te stellen aan krachtige magnetische velden die in de staat Florida werden gegenereerd.

"Naarmate het externe veld groter wordt, de stroom in de supergeleider wordt groter en groter om te proberen het magnetische veld op te heffen, " legde Tranquada uit. "Maar er is een grens aan de stroom die zonder weerstand kan stromen. Het vinden van die limiet zou ons iets moeten vertellen over hoe sterk de supergeleider is."

Bijvoorbeeld, als de strepen van ladingsvolgorde en magnetisme in LBCO slecht zijn voor supergeleiding, een bescheiden magnetisch veld zou het moeten vernietigen. "We dachten dat de lading misschien zou vastvriezen in de strepen, zodat het materiaal een isolator zou worden, ' zei Tranquada.

Maar de supergeleiding bleek een stuk robuuster.

Met behulp van perfecte kristallen van LBCO gekweekt door Brookhaven-natuurkundige Genda Gu, Yangmu Li, een postdoctoraal onderzoeker die in het laboratorium van Tranquada werkt, deed metingen van de weerstand en geleidbaarheid van het materiaal onder verschillende omstandigheden in het National High Magnetic Field Laboratory. Bij een temperatuur net boven het absolute nulpunt zonder magnetisch veld, het tentoongestelde materiaal vol, 3D-supergeleiding. De temperatuur constant houden, de wetenschappers moesten het externe magnetische veld aanzienlijk opvoeren om de 3D-supergeleiding te laten verdwijnen. Nog verrassender, toen ze de veldsterkte verder verhoogden, de weerstand in de koperoxidevlakken daalde weer tot nul!

"We zagen dezelfde 2D-supergeleiding die we hadden ontdekt bij 40K, ' zei Tranquada.

Door het veld op te voeren, werd de 2D-supergeleiding verder vernietigd, maar het heeft het vermogen van het materiaal om gewone stroom te dragen nooit volledig vernietigd.

"De weerstand groeide, maar vlakte toen af, ' merkte Tranquada op.

Tekenen van aanhoudende paren?

Aanvullende metingen onder het hoogste magnetische veld gaven aan dat de ladingsdragers in het materiaal, hoewel niet langer supergeleidend, kunnen nog steeds als paren bestaan, zei Tranquada.

"Het materiaal wordt een metaal dat de stroom niet langer afbuigt, "Tsvelik zei. "Als je een stroom in een magnetisch veld hebt, je zou enige afbuiging van de ladingen - elektronen of gaten - verwachten in de richting loodrecht op de stroom [wat wetenschappers het Hall-effect noemen]. Maar dat is niet wat er gebeurt. Er is geen afleiding."

Met andere woorden, zelfs nadat de supergeleiding is vernietigd, het materiaal behoudt een van de belangrijkste kenmerken van de "paardichtheidsgolf" die kenmerkend is voor de supergeleidende toestand.

"Mijn theorie relateert de aanwezigheid van de ladingsrijke strepen met het bestaan ​​​​van magnetische momenten daartussen aan de vorming van de golftoestand van paardichtheid, "Zei Tsvelik. "De waarneming van geen ladingsafbuiging bij een hoog veld toont aan dat het magnetische veld de coherentie kan vernietigen die nodig is voor supergeleiding zonder noodzakelijkerwijs de paardichtheidsgolf te vernietigen."

"Samen leveren deze waarnemingen aanvullend bewijs dat de strepen goed zijn voor paren, "Zei Tranquada. "We zien de 2-D supergeleiding weer verschijnen bij een hoog veld en dan, op een nog hoger veld, wanneer we de 2-D supergeleiding verliezen, het materiaal wordt niet alleen een isolator. Er vloeit nog wat stroom. We zijn misschien de coherente beweging van paren tussen de strepen kwijt, maar we kunnen nog steeds paren binnen de strepen hebben die onsamenhangend kunnen bewegen en ons een ongewoon metaalachtig gedrag kunnen geven."