Meer dan 100 jaar geleden ontdekt, supergeleiding blijft wetenschappers boeien die componenten willen ontwikkelen voor zeer efficiënte energietransmissie, ultrasnelle elektronica of kwantumbits voor berekeningen van de volgende generatie. Echter, bepalen waardoor stoffen supergeleiders worden - of niet meer zijn - blijft een centrale vraag bij het vinden van nieuwe kandidaten voor deze speciale klasse van materialen.

In potentiële supergeleiders, er kunnen verschillende manieren zijn waarop elektronen zichzelf kunnen rangschikken. Sommige hiervan versterken het supergeleidende effect, terwijl anderen het tegenhouden. In een nieuwe studie, wetenschappers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben de manieren uitgelegd waarop twee van dergelijke arrangementen met elkaar concurreren en uiteindelijk de temperatuur beïnvloeden waarbij een materiaal supergeleidend wordt.

In de supergeleidende toestand, elektronen komen samen in zogenaamde Cooper-paren, waarin de beweging van elektronen is gecorreleerd; op elk moment, de snelheden van de elektronen die deelnemen aan een bepaald paar zijn tegengesteld. uiteindelijk, de beweging van alle elektronen is gekoppeld - geen enkel elektron kan zijn eigen ding doen - wat leidt tot de verliesloze stroom van elektriciteit:supergeleiding.

Over het algemeen, hoe sterker de paren koppelen en hoe groter het aantal elektronen dat deelneemt, hoe hoger de supergeleidende overgangstemperatuur zal zijn.

De materialen die potentiële supergeleiders bij hoge temperaturen zijn, zijn geen eenvoudige elementen, maar zijn complexe verbindingen die veel elementen bevatten. Het blijkt dat, naast supergeleiding, elektronen kunnen verschillende eigenschappen vertonen bij lage temperaturen, inclusief magnetisme of ladingsdichtheidsgolfvolgorde. In een ladingsdichtheidsgolf, elektronen vormen een periodiek patroon van hoge en lage concentraties in het materiaal. Elektronen die gebonden zijn in de ladingsdichtheidsgolf nemen niet deel aan supergeleiding, en de twee fenomenen concurreren.

"Als je wat elektronen verwijdert om in een golf van ladingsdichtheid te komen, de sterkte van je supergeleidende effect zal afnemen, " zei Argonne materiaalwetenschapper Ulrich Welp, een corresponderende auteur van de studie.

Het werk van het Argonne-team is gebaseerd op het besef dat de golfvolgorde van de ladingsdichtheid en de supergeleiding verschillend worden beïnvloed door onvolkomenheden in het materiaal. Door wanorde te introduceren, de onderzoekers onderdrukten een golf van ladingsdichtheid, het verstoren van het golfpatroon van de periodieke ladingsdichtheid terwijl het slechts een klein effect heeft op de supergeleiding. Dit opent een manier om de balans tussen de concurrerende golfvolgorde van de ladingsdichtheid en supergeleiding af te stemmen.

Om wanorde op zo'n manier te introduceren dat de golftoestand van de ladingsdichtheid wordt aangetast, maar liet de supergeleidende toestand grotendeels intact, de onderzoekers gebruikten deeltjesbestraling. Door het materiaal te raken met een protonenstraal, de onderzoekers sloegen een paar atomen eruit, het veranderen van de algehele elektronische structuur terwijl de chemische samenstelling van het materiaal intact blijft.

Om een ​​beeld te krijgen van het lot van de ladingsdichtheidsgolven, onderzoekers gebruikten ultramoderne röntgenverstrooiing bij Argonne's Advanced Photon Source (APS), een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit, en de Cornell High Energy Synchrotron Source. "Röntgenverstrooiing was essentieel om de subtiliteiten van deze elektronische orde in het materiaal te observeren, " zei Argonne natuurkundige en studie auteur Zahir Islam. "We ontdekten dat een verdunde concentratie van ongeordende atomen de ladingsdichtheidsgolf echt verminderde om de supergeleiding te verbeteren."

Volgens de islam, terwijl de huidige schittering van de APS systematische studies van ladingsdichtheidsgolven van kleine enkelkristalmonsters mogelijk maakte, ondanks de relatief zwakke verstrooiingssterkte, de aanstaande geplande upgrade van de faciliteit zal onderzoekers de uiterste gevoeligheid bieden om deze verschijnselen te observeren. Verder, hij zei, wetenschappers zullen profiteren van het bestuderen van deze materialen in extreme omgevingen, vooral, onder hoge magnetische velden om de balans te laten kantelen ten gunste van ladingsdichtheidsgolven om het nodige inzicht te krijgen in supergeleiding bij hoge temperatuur.

In het onderzoek, de wetenschappers onderzochten een materiaal genaamd lanthaan barium koperoxide (LBCO). In dit materiaal, de supergeleidende temperatuur daalde bijna tot het absolute nulpunt (-273 graden Celsius) toen het materiaal een bepaalde chemische samenstelling bereikte. Echter, voor nauw verwante composities, de overgangstemperatuur bleef relatief hoog. De wetenschappers denken dat dit effect van afkoelende supergeleiding te wijten is aan de aanwezigheid van ladingsdichtheidsgolven en dat het onderdrukken van de ladingsdichtheidsgolf zelfs hogere overgangstemperaturen zou kunnen veroorzaken.

Met ladingsdichtheidsgolven aangetast door wanorde, supergeleiding plukt de vruchten, Wai-Kwong Kwok, Argonne Distinguished Fellow en studie auteur, uitgelegd. "Vanuit het perspectief van de supergeleider, de vijand van mijn vijand is echt mijn vriend, " hij zei.

Een paper gebaseerd op de studie, "Een stoornis verhoogt de kritische temperatuur van een cuprate-supergeleider, " verscheen in het online nummer van 13 mei van de Proceedings van de National Academy of Sciences .