Supergeleiders op hoge temperatuur, die elektriciteit vervoeren zonder weerstand bij veel hogere temperaturen dan conventionele supergeleidende materialen, hebben voor veel opwinding gezorgd sinds hun ontdekking meer dan 30 jaar geleden vanwege hun potentieel voor revolutionaire technologieën zoals maglev-treinen en langeafstandskabels. Maar wetenschappers begrijpen nog steeds niet hoe ze werken.

Een stukje van de puzzel is het feit dat ladingsdichtheidsgolven - statische strepen van hogere en lagere elektronendichtheid die door een materiaal lopen - zijn gevonden in een van de belangrijkste families van supergeleiders bij hoge temperatuur, de op koper gebaseerde cuprates. Maar verbeteren deze ladingsstrepen de supergeleiding, onderdrukken of een andere rol spelen?

Bij onafhankelijke onderzoeken twee onderzoeksteams rapporteren belangrijke vooruitgang in het begrijpen hoe ladingsstrepen kunnen interageren met supergeleiding. Beide onderzoeken zijn uitgevoerd met röntgenstralen in het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy.

Prachtig detail

In een artikel dat vandaag is gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign (UIUC) gebruikten SLAC's Linac Coherent Light Source (LCLS) röntgenvrije elektronenlaser om fluctuaties in ladingsdichtheidsgolven in een cuprate-supergeleider waar te nemen.

Ze verstoorden de ladingsdichtheidsgolven met pulsen van een conventionele laser en gebruikten toen RIXS, of resonante inelastische röntgenverstrooiing, om de golven te zien herstellen over een periode van een paar biljoensten van een seconde. Dit herstelproces gedroeg zich volgens een universele dynamische schaalwet:het was op alle schalen hetzelfde, zoals een fractaal patroon er hetzelfde uitziet, of u nu inzoomt of uitzoomt.

Met LCLS, de wetenschappers konden meten, voor de eerste keer en in prachtige details, precies hoe ver en hoe snel de ladingsdichtheidsgolven fluctueerden. Tot hun verbazing, het team ontdekte dat de schommelingen niet waren als het rinkelen van een bel of het stuiteren van een trampoline; in plaats daarvan, ze leken meer op de langzame diffusie van een siroop - een kwantumanaloog van vloeibaar kristalgedrag, die nog nooit eerder in een vaste stof was gezien.

"Onze experimenten bij LCLS stellen een nieuwe manier vast om fluctuaties in ladingsdichtheidsgolven te bestuderen, wat zou kunnen leiden tot een nieuw begrip van de werking van supergeleiders bij hoge temperaturen, " zegt Matteo Mitrano, een postdoctoraal onderzoeker in de groep van professor Peter Abbamonte aan de UIUC.

Dit team omvatte ook onderzoekers van Stanford University, het National Institute of Standards and Technology en Brookhaven National Laboratory.

Verborgen arrangementen

Een andere studie, vorige maand gemeld in Natuurcommunicatie , gebruikte röntgenstralen van SLAC'S Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) om twee soorten ladingsdichtheidsgolfarrangementen te ontdekken, een nieuw verband leggen tussen deze golven en supergeleiding bij hoge temperaturen.

Onder leiding van SLAC-wetenschapper Jun-Sik Lee, het onderzoeksteam gebruikte RSXS, of resonerende zachte röntgenverstrooiing, om te zien hoe temperatuur de ladingsdichtheidsgolven in een cuprate-supergeleider beïnvloedde.

"Dit lost een mismatch in gegevens van eerdere experimenten op en brengt een nieuwe koers in kaart voor het volledig in kaart brengen van het gedrag van elektronen in deze exotische supergeleidende materialen, "zegt Leen.

"Ik geloof dat het verkennen van nieuwe of verborgen arrangementen, evenals hun verweven verschijnselen, zal bijdragen aan ons begrip van supergeleiding bij hoge temperaturen in cupraten, die onderzoekers zal informeren in hun zoektocht naar het ontwerpen en ontwikkelen van nieuwe supergeleiders die werken bij warmere temperaturen."