Een van de grootste mysteries in de fysica van de gecondenseerde materie is de exacte relatie tussen ladingsvolgorde en supergeleiding in cuprate-supergeleiders. Bij supergeleiders, elektronen bewegen vrij door het materiaal - er is geen weerstand wanneer het onder de kritische temperatuur wordt afgekoeld. Echter, de cupraten vertonen tegelijkertijd supergeleiding en ladingsvolgorde in patronen van afwisselende strepen. Dit is paradoxaal omdat de ladingsvolgorde gebieden met opgesloten elektronen beschrijft. Hoe kunnen supergeleiding en ladingsvolgorde naast elkaar bestaan?

Nu onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, samenwerking met wetenschappers van het SLAC National Accelerator Laboratory, hebben nieuw licht geworpen op hoe deze ongelijksoortige staten naast elkaar kunnen bestaan. Illinois Physics postdoctoraal onderzoeker Matteo Mitrano, Professor Peter Abbamonte, en hun team pasten een nieuwe röntgenverstrooiingstechniek toe, in de tijd opgeloste resonante zachte röntgenverstrooiing, profiteren van de state-of-the-art apparatuur bij SLAC. Met deze methode konden de wetenschappers de fase van de gestreepte ladingsvolgorde onderzoeken met een ongekende energieresolutie. Dit is de eerste keer dat dit is gedaan op een energieschaal die relevant is voor supergeleiding.

De wetenschappers maten de fluctuaties van de ladingsvolgorde in een prototypische koperoxide-supergeleider, La _2-x Ba _x CuO ₄ (LBCO) en ontdekte dat de fluctuaties een energie hadden die overeenkwam met de supergeleidende kritische temperatuur van het materiaal, wat impliceert dat supergeleiding in dit materiaal - en door extrapolatie, in de cuprates - kan worden gemedieerd door fluctuaties in de volgorde van de lading.

De onderzoekers toonden verder aan dat, als de laadopdracht smelt, de elektronen in het systeem zullen de gestreepte gebieden van ladingsvolgorde binnen tientallen picoseconden hervormen. Zoals het blijkt, dit proces gehoorzaamt aan een universele schaalwet. Om te begrijpen wat ze zagen in hun experiment, Mitrano en Abbamonte wendden zich tot Illinois natuurkunde professor Nigel Goldenfeld en zijn afgestudeerde student Minhui Zhu, die in staat waren theoretische methoden toe te passen die waren ontleend aan de fysica van zachte gecondenseerde materie om de vorming van de gestreepte patronen te beschrijven.

Deze bevindingen werden op 16 augustus gepubliceerd, 2019, in het online tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang .

Cuprates hebben strepen

De betekenis van dit mysterie kan worden begrepen in de context van onderzoek in supergeleiders bij hoge temperatuur (HTS), specifiek de cuprates-gelaagde materialen die kopercomplexen bevatten. de kopjes, enkele van de eerst ontdekte HTS, hebben aanzienlijk hogere kritische temperaturen dan "gewone" supergeleiders (bijv. aluminium en loodsupergeleiders hebben een kritische temperatuur lager dan 10 K). In 1980, LBCO, een cuprate, bleek een supergeleidende kritische temperatuur van 35 K (-396 ° F) te hebben, een ontdekking waarvoor Bednorz en Müller de Nobelprijs wonnen.

Die ontdekking veroorzaakte een stortvloed aan onderzoek naar de cuprates. Op tijd, wetenschappers vonden experimenteel bewijs van inhomogeniteiten in LBCO en soortgelijke materialen:isolerende en metaalachtige fasen die naast elkaar bestonden. In 1998, Illinois natuurkunde professor Eduardo Fradkin, Stanford-professor Steven Kivelson, en anderen stelden voor dat Mott-isolatoren - materialen die volgens de conventionele bandtheorie zouden moeten geleiden maar isoleren vanwege afstoting tussen elektronen - in staat zijn om strepen van ladingsvolgorde en supergeleiding te herbergen. La ₂ CuO ₄ , de moederverbinding van LBCO, is een voorbeeld van een Mott-isolator. Als Ba aan die verbinding wordt toegevoegd, ter vervanging van enkele La-atomen, strepen worden gevormd door de spontane organisatie van gaten - vacatures van elektronen die werken als positieve ladingen.

Nog altijd, andere vragen over het gedrag van de strepen bleven. Zijn de laadgebieden onbeweeglijk? Fluctueren ze?

"De conventionele overtuiging is dat als je deze gedoteerde gaten toevoegt, ze voegen een statische fase toe die slecht is voor supergeleiding - je bevriest de gaten, en het materiaal kan geen elektriciteit transporteren, Mitrano merkt op. "Als ze dynamisch zijn - als ze fluctueren - dan zijn er manieren waarop de gaten supergeleiding bij hoge temperaturen kunnen bevorderen."

Onderzoek naar de fluctuaties in LBCO

Om te begrijpen wat de strepen precies doen, Mitrano en Abbamonte bedachten een experiment om de ladingsvolgorde te smelten en het proces van zijn reformatie in LBCO te observeren. Mitrano en Abbamonte bedachten een meettechniek die resonante inelastische röntgenverstrooiing wordt genoemd. het toevoegen van een tijdafhankelijk protocol om te observeren hoe de laadvolgorde herstelt over een duur van 40 picoseconden. Het team schoot een laser op het LBCO-monster, het geven van extra energie aan de elektronen om de ladingsvolgorde te smelten en elektronische homogeniteit te introduceren.

"We gebruikten een nieuw type spectrometer ontwikkeld voor ultrasnelle bronnen, omdat we experimenten doen waarbij onze laserpulsen extreem kort zijn, " legt Mitrano uit. "We hebben onze metingen uitgevoerd bij de Linac Coherent Light Source bij SLAC, een vlaggenschip in dit onderzoeksgebied. Onze metingen zijn twee ordes van grootte gevoeliger in energie dan wat kan worden gedaan bij een andere conventionele verstrooiingsfaciliteit."

Abbamonte voegt toe, "Wat hier innovatief is, is het gebruik van tijdsdomeinverstrooiing om collectieve excitaties op de sub-meV-energieschaal te bestuderen. Deze techniek werd eerder gedemonstreerd voor fononen. Hier, we hebben aangetoond dat dezelfde benadering kan worden toegepast op excitaties in de valentieband."

Hints van een mechanisme voor supergeleiding

Het eerste significante resultaat van dit experiment is dat de ladingsvolgorde inderdaad fluctueert, bewegen met een energie die bijna overeenkomt met de energie die is vastgesteld door de kritische temperatuur van LBCO. Dit suggereert dat Josephson-koppeling cruciaal kan zijn voor supergeleiding.

Het idee achter het Josephson-effect, ontdekt door Brian Josephson in 1962, is dat twee supergeleiders verbonden kunnen worden via een zwakke schakel, typisch een isolator of een normaal metaal. In dit type systeem, supergeleidende elektronen kunnen van de twee supergeleiders in de zwakke schakel lekken, waardoor er een stroom van supergeleidende elektronen in wordt gegenereerd.

Josephson-koppeling biedt een mogelijke verklaring voor de koppeling tussen supergeleiding en gestreepte gebieden van ladingsvolgorde, waarbij de strepen zodanig fluctueren dat supergeleiding lekt in de gebieden van ladingsorde, de zwakke schakels.

Gehoorzamen aan universele schaalwetten van patroonvorming

Na het smelten van de ladingsvolgorde, Mitrano en Abbamonte maten het herstel van de strepen naarmate ze zich in de tijd ontwikkelden. Toen het bevel tot betaling haar volledige herstel naderde, het volgde op een onverwachte tijdsafhankelijkheid. Dit resultaat leek in niets op wat de onderzoekers in het verleden waren tegengekomen. Wat zou dit kunnen verklaren?

Het antwoord is ontleend aan het gebied van de fysica van zachte gecondenseerde materie, en meer specifiek vanuit een theorie van schalingswetten die Goldenfeld twee decennia eerder had ontwikkeld om patroonvorming in vloeistoffen en polymeren te beschrijven. Goldenfeld en Zhu toonden aan dat de strepen in LBCO herstellen volgens een universeel, dynamisch, zelfvergelijkende schaalwet.

Goldenfeld legt uit, "Tegen het midden van de jaren negentig wetenschappers hadden inzicht in hoe uniforme systemen evenwicht benaderen, maar hoe zit het met stripe-systemen? Ik heb ongeveer 20 jaar geleden aan deze vraag gewerkt, kijken naar de patronen die ontstaan ​​wanneer een vloeistof van onderaf wordt verwarmd, zoals de zeshoekige vlekken van circulerende, opwellende witte vlekjes in hete misosoep. Onder bepaalde omstandigheden vormen deze systemen strepen van circulerende vloeistof, geen vlekken, analoog aan de streeppatronen van elektronen in de cuprate-supergeleiders. En wanneer het patroon zich vormt, het volgt een universele schaalwet. Dit is precies wat we zien in LBCO als het zijn strepen van ladingsvolgorde hervormt."

Door hun berekeningen Goldenfeld en Zhu waren in staat om het proces van tijdsafhankelijke patroonreformatie in het experiment van Mitrano en Abbamonte op te helderen. De strepen hervormen met een logaritmische tijdsafhankelijkheid - een zeer langzaam proces. Naleving van de schaalwet in LBCO houdt verder in dat het topologische defecten bevat, of onregelmatigheden in de roosterstructuur. Dit is het tweede significante resultaat van dit experiment.

Zhu opmerkingen, "Het was opwindend om deel uit te maken van dit gezamenlijke onderzoek, werken met vastestoffysici, maar het toepassen van technieken uit zachte gecondenseerde materie om een ​​probleem in een sterk gecorreleerd systeem te analyseren, zoals supergeleiding bij hoge temperaturen. Ik droeg niet alleen mijn berekeningen bij, maar ook nieuwe kennis opgepikt van mijn collega's met verschillende achtergronden, en kreeg zo nieuwe perspectieven op lichamelijke problemen, evenals nieuwe manieren van wetenschappelijk denken."

In toekomstig onderzoek, Mitrano, Abbamonte, en Goldenfeld zijn van plan om de fysica van fluctuaties in de ladingsvolgorde verder te onderzoeken met als doel de ladingsvolgorde in LBCO volledig te smelten om de fysica van streepvorming te observeren. Ze plannen ook soortgelijke experimenten met andere cuprates, inclusief yttrium barium koperoxide verbindingen, beter bekend als YBCO.

Goldenfeld ziet dit en toekomstige experimenten als een katalysator voor nieuw onderzoek in HTS:"Wat we hebben geleerd in de 20 jaar sinds het werk van Eduardo Fradkin en Steven Kivelson over de periodieke modulatie van lading, is dat we de HTS moeten zien als elektronische vloeibare kristallen, " zegt hij. "We beginnen nu de fysica van zachte gecondenseerde materie van vloeibare kristallen toe te passen op HTS om te begrijpen waarom de supergeleidende fase in deze materialen bestaat."