Op het gebied van supergeleiding - het vermogen van een materiaal om elektriciteit te geleiden met vrijwel nul weerstand - zijn de zogenaamde hoge temperatuur supergeleiders (HTSC's) mogelijke kandidaten voor een nieuwe generatie geavanceerde technologieën. Een subset hiervan, de "cuprates, " die kristallijne materialen zijn op basis van vlakken van koperoxide, zijn bijzonder veelbelovend. Maar wetenschappers moeten nog veel meer leren over deze materialen voordat ze mainstream worden, kamertemperatuur toepassingen zijn mogelijk. Momenteel, zelfs de "hoge temperatuur" supergeleiders moeten worden gekoeld tot zeer, zeer koude temperaturen naar alledaagse maatstaven.

Werken bij het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), onderzoekers van Brookhaven en University College London hebben onlangs iets nieuws en zeer verrassends ontdekt over een type periodieke elektrische ladingsregeling, die samengaat met supergeleiding in cupraten, bekend als een ladingsdichtheidsgolf (CDW). Ze ontdekten dat de specifieke CDW-volgorde in hun monster werd "onthouden" wanneer het monster herhaaldelijk werd verwarmd tot voorbij de temperatuur waarbij de CDW verdwijnt. Deze ontdekking opent een nieuwe weg voor onderzoek naar hoe deze intrigerende materialen werken, brengt wetenschappers een stap dichter bij een compleet beeld van elektronisch gedrag in cuprates.

"Het zou zijn alsof je een stapel ijsblokjes smelt en ze vervolgens opnieuw invriest - en ontdekt dat ze weer zijn bevroren tot een identieke stapel ijsblokjes, zelfs tot op microscopisch niveau, " verklaarde Brookhaven Lab-natuurkundige Claudio Mazzoli, een van de bij het onderzoek betrokken onderzoekers. "Niemand zou dat verwachten."

Mazzoli en zijn co-onderzoekers beschrijven hun werk in de 29 maart, 2019 online editie van Nature Communications.

Het elektronische gedrag van de cuprates, zoals bij alle HTSC's, is vrij ingewikkeld. Zoals de naam impliceert, de elektronen waaruit een CDW bestaat, vormen een periodiek staand golfpatroon. CDW's zijn waargenomen in bijna alle cuprates, maar hun rol in supergeleiding is nog steeds niet volledig begrepen. Concurreren ze met supergeleiding? Doen ze eraan mee? Belemmeren ze de supergeleiding op bepaalde manieren en dragen ze er mogelijk aan bij op andere manieren? Wetenschappers zijn dit nog aan het uitwerken.

"In de HTSC's, elke rangschikking van elektronen is interessant voor onderzoekers, " zei Brookhaven-natuurkundige Mark Dean, een andere van de auteurs van het artikel. "Het doel is om deze arrangementen te onderzoeken en ze af te stemmen - of misschien te verwijderen - zodat de supergeleidende overgangstemperatuur van het materiaal kan naderen, of misschien overtreffen, kamertemperatuur. Om dit te doen, we moeten zoveel mogelijk leren over het gedrag van elektronen en hun structuren in HTSC's."

Een ding dat onderzoekers wel weten, is dat cuprates die dezelfde koperoxidevlakken bevatten - maar op een iets andere manier gerangschikt - CDW's kunnen hebben met dramatisch verschillende eigenschappen. Het lijkt, dan, dat het deel van het kristalrooster dat de CDW herbergt een effect heeft op de CDW.

Hier, de groep wilde meer leren over de relatie tussen de roosterstructuur van het materiaal en het CDW-gedrag. Hun modelsysteem was een cupraat dat bekend staat als LBCO vanwege de verbindingen die het bevat:lanthaan, barium, koper, en zuurstof. LBCO heeft een overgangstemperatuur - de temperatuur waaronder het de CDW weergeeft, en waarboven het niet - van 54 graden Kelvin (K) (hoewel gelijk aan ongeveer -360 graden Fahrenheit, deze temperatuur is in de supergeleiderwereld nog relatief hoog).

De groep wilde uitzoeken hoe onvolkomenheden in het LBCO-kristalrooster de CDW kunnen stabiliseren. Ze waren geïnteresseerd in een bekende roostervervorming die in het materiaal optreedt:een kanteling in de octaëdrische vorm gevormd door gebonden koper- en zuurstofatomen. Deze kanteling heeft de neiging om de CDW aan het rooster te verankeren zodat het in een bepaalde richting oriënteert; het lijkt erop dat de CDW gevoelig kan zijn voor de ruimtelijke inhomogeniteiten, of domeinen, van het rooster. Deze relatie tussen het CDW en de domeinen, zoals gesuggereerd door het temperatuurgedrag dat in deze studie is ontdekt, kan uniek zijn voor LBCO. Het zal heel belangrijk zijn om te begrijpen of dit een algemeen kenmerk is van de cuprates.

De groep fietste hun LBCO-monster door een reeks temperaturen, herhaaldelijk verwarmen en koelen, terwijl hij het met röntgenstralen onderzoekt bij Brookhaven's National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit. Bij de Coherente Soft X-Ray Scattering (CSX) bundellijn, ze gebruikten een techniek die bekend staat als coherente resonante röntgendiffractie, waarin röntgenstralen verstrooien vanuit verschillende domeinen in de ruimtelijke ordening van CDW, met elkaar interfereren, en vormen een "spikkel"-patroon dat wordt vastgelegd door een speciale camera. Het analyseren van dit patroon levert informatie op over de functies van de CDW.

Deze taak:een CDW direct observeren terwijl de wijzigingen worden gevolgd, over een reeks van temperaturen - is collectief zeer uitdagend, grotendeels te wijten aan de zeer korte afstanden die kenmerkend zijn voor de kenmerken van een CDW. NSLS-II is bij uitstek geschikt voor dit soort onderzoek vanwege de coherente aard van het licht dat het produceert, wat betekent dat de lichtgolven gelijktijdig reizen in plaats van niet synchroon en door elkaar gegooid. Oudere lichtbronnen hebben niet zulke sterk coherente bundels.

De spikkelanalyse onthulde dat de specifieke CDW-volgorde die aanwezig was onder 54 K terugkeerde, zelfs wanneer het monster herhaaldelijk door veel hogere temperaturen werd gefietst, tot ongeveer 240 K (ongeveer -28 °F). De onderzoekers denken dat de structurele veranderingen die plaatsvinden in het kristal onder 240 K een "pinning-landschap" creëren dat de CDW aan het rooster verankert.

"Ons werk opent een nieuwe route voor het bestuderen van het complexe samenspel tussen ladings- en roostervrijheidsgraden in supergeleidende cuprates, " zei de hoofdauteur van de krant, Xiaoqian Chen, een onderzoeker in Brookhaven's Condensed Matter Physics and Materials Science Department op het moment dat deze studie werd uitgevoerd (ze werkt nu bij het Lawrence Berkeley National Laboratory). "Het is ook een geweldige demonstratie van hoe NSLS-II kan worden gebruikt om kwantumfasen van materialen en hun spectaculaire, onverwachte eigenschappen."

"Dit resultaat benadrukt het vitale belang van de rol van domeinen op nanoschaal in supergeleiding bij hoge temperatuur. Zonder de domeinpinning-effecten die zijn waargenomen, de CDW kan stroom voeren en de supergeleiding verder verstoren, " voegde co-auteur Ian Robinson toe, een natuurkundige aan zowel Brookhaven als aan University College London. "Het in beeld brengen van deze subtiele 'fase'-domeinstructuren staat nog in de kinderschoenen en dit werk benadrukt de noodzaak om betere beeldvormingstechnieken te ontwikkelen, zodat structurele details direct kunnen worden gezien."