Een internationaal team onder leiding van onderzoekers van Princeton University heeft direct een verrassend kwantumeffect waargenomen in een ijzerhoudende supergeleider met hoge temperatuur.

Supergeleiders geleiden elektriciteit zonder weerstand, waardoor ze waardevol zijn voor elektriciteitstransmissie over lange afstanden en vele andere energiebesparende toepassingen. Conventionele supergeleiders werken alleen bij extreem lage temperaturen, maar bepaalde materialen op ijzerbasis die ongeveer tien jaar geleden werden ontdekt, kunnen supergeleidend zijn bij relatief hoge temperaturen en hebben de aandacht van onderzoekers getrokken.

Hoe supergeleiding zich precies vormt in op ijzer gebaseerde materialen is een beetje een mysterie, vooral omdat het magnetisme van ijzer in strijd lijkt te zijn met de opkomst van supergeleiding. Een dieper begrip van onconventionele materialen zoals op ijzer gebaseerde supergeleiders zou uiteindelijk kunnen leiden tot nieuwe toepassingen voor energiebesparende technologieën van de volgende generatie.

De onderzoekers onderzochten het gedrag van op ijzer gebaseerde supergeleiders wanneer onzuiverheden, namelijk kobaltatomen, worden toegevoegd om te onderzoeken hoe supergeleiding ontstaat en verdwijnt. Hun bevindingen leidden tot nieuwe inzichten in een 60 jaar oude theorie over hoe supergeleiding zich gedraagt. De studie werd gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven deze week.

Het toevoegen van onzuiverheden is een handige manier om meer te weten te komen over het gedrag van supergeleiders, zei M. Zahid Hasan, de Eugene Higgins hoogleraar natuurkunde aan de Princeton University, die het onderzoeksteam leidde. "Het is net als de manier waarop we het golfgedrag van water in het meer onderzoeken door een steen te gooien, " zei hij. "De manier waarop de supergeleidende eigenschappen reageren op de onzuiverheid onthult hun geheimen met details op kwantumniveau."

Een al lang bestaand idee dat bekend staat als de stelling van Anderson voorspelt dat hoewel het toevoegen van onzuiverheden wanorde in een supergeleider kan veroorzaken, vaak, het zal de supergeleiding niet vernietigen. De stelling werd in 1959 naar voren gebracht door de Nobelprijswinnende natuurkundige Philip Anderson, Joseph Henry Professor in de natuurkunde van Princeton, Emeritus. Maar er zijn altijd uitzonderingen op de regel.

Kobalt lijkt een van deze uitzonderingen te zijn. In tegenstelling tot de theorie, de toevoeging van kobalt dwingt de op ijzer gebaseerde supergeleider om zijn supergeleidende vermogen te verliezen en te worden als een gewoon metaal, waarin elektriciteit met weerstand stroomt en zijn energie verspilt als warmte.

Tot nu, het is onduidelijk hoe dit komt.

Om dit fenomeen te onderzoeken, het Princeton-team van onderzoekers gebruikte een techniek die bekend staat als scanning tunneling microscopie, die in staat is om individuele atomen in beeld te brengen, om een ​​op ijzer gebaseerde supergeleider gemaakt van lithium te bestuderen, ijzer en arseen.

Ze introduceerden niet-magnetische onzuiverheden in de vorm van kobaltatomen in de supergeleider om te zien hoe deze zich gedroeg.

De onderzoekers hebben een groot aantal monsters gemeten bij extreem lage temperaturen, ongeveer min 460 graden Fahrenheit (400 graden milliKelvin), die bijna tien graden Fahrenheit kouder is dan de ruimte. Onder deze voorwaarden, de onderzoekers lokaliseerden en identificeerden elk kobaltatoom in het kristalrooster, en vervolgens direct het effect gemeten dat het had op de supergeleiding op zowel de atomair lokale schaal als de globale supergeleidende eigenschappen van het monster.

Om dit te doen, de onderzoekers bestudeerden meer dan 30 kristallen in acht verschillende concentraties bij deze extreem lage temperaturen met een resolutie op atomair niveau. "Er is geen garantie dat een bepaald kristal ons de hoogwaardige gegevens zal geven die we nodig hebben, " zei Songtian Sonia Zhang, een afgestudeerde student en co-eerste auteur van de studie.

Als resultaat van dit uitgebreide experiment, het team ontdekte dat elk kobaltatoom een ​​beperkte lokale impact heeft die een atoom of twee op afstand van de onzuiverheid verdwijnt. Echter, er is een sterke, systematische evolutie via een faseovergang naar een normale, niet-supergeleidende toestand naarmate de kobaltconcentratie toeneemt. De supergeleiding wordt uiteindelijk volledig vernietigd door meer kobaltatomen in te brengen.

Supergeleiding is te wijten aan het koppelen van twee elektronen om een ​​enkele kwantumtoestand te vormen die wordt beschreven door een eigenschap die bekend staat als een golffunctie. Door deze koppeling kunnen de elektronen door een materiaal ritselen zonder de typische weerstand die optreedt in alledaagse metalen. De minimale energie die nodig is om de elektronen te verstrooien en de paren te verbreken, wordt de 'supergeleidende energiekloof' genoemd.

Wanneer kobaltatomen worden toegevoegd, de verstrooiingssterkte kan op twee manieren worden beschreven:de sterke (of unitaire) limiet en de zwakke (of Born) limiet. Verstrooiing op de Born-limiet, vernoemd naar natuurkundige Max Born, heeft het zwakste potentieel om de elektrongolffuncties te verstoren die cruciaal zijn voor de elektron-elektroninteractie en dus de elektronenparing.

Door ijzeratomen te vervangen, de kobaltatomen gedragen zich als Born-limit verstrooiers. Hoewel Born-limit-verstrooiers een relatief zwak potentieel hebben om supergeleiding te verstoren, wanneer velen combineren, kunnen ze supergeleiding vernietigen.

De onderzoekers ontdekten dat voor het lithiumijzerarsenidemateriaal, verstrooiing op de Born-limiet is blijkbaar in staat om de stelling van Anderson te schenden, wat leidt tot een kwantumfaseovergang van een supergeleidende naar een niet-supergeleidende toestand.

Supergeleidende materialen kunnen worden beschreven door een kenmerk dat bekend staat als het tunnelspectrum, die een beschrijving geeft van het gedrag van elektronen in een materiaal en fungeert als het energieverdelingsprofiel van een elektron. Het lithiumijzerarsenidemateriaal heeft een zogenaamde "S-golf"-spleet die wordt gekenmerkt door een platte "U-vormige" bodem in de supergeleidende energiespleet. Een volledig geopende supergeleidende spleet geeft de kwaliteit van de supergeleidende materialen aan.

In een verrassende wending, de kobaltverontreinigingen onderdrukken niet alleen de supergeleiding, ze veranderen ook de aard van de opening als deze evolueert van een U-vorm naar een V-vorm. De vorm van de supergeleidende opening weerspiegelt meestal de "ordeparameter, " die de aard van de supergeleiding beschrijft. Een dergelijke vorm is kenmerkend voor ordeparameters die alleen voorkomen in een uniek aantal supergeleiders bij hoge temperatuur en duidt op extreem onconventioneel gedrag.

De schijnbare transformatie door een wijziging in de orderparameter (bijvoorbeeld weerspiegeld in de metingen door de verandering in de vorm van de supergeleidende kloof) draagt ​​alleen maar bij aan de kwantumpuzzel.

Deze evolutie is ongebruikelijk en zette de onderzoekers ertoe aan hun onderzoek te verdiepen. Door theoretische berekeningen te combineren met magnetische metingen, ze waren in staat om de niet-magnetische aard van de kobaltverstrooiing te bevestigen.

Aangezien de stelling van Anderson stelt dat niet-magnetische onzuiverheden weinig effect zouden hebben op dit type supergeleider, de onderzoekers realiseerden zich dat er een alternatieve theorie moest worden ontwikkeld.

In op ijzer gebaseerde supergeleiders, wetenschappers hebben gespeculeerd dat er een tekenverandering is voor de fase van supergeleidende ordeparameter bij verschillende "Fermi-pockets" - de energiecontouren die worden gevormd door de regels volgens welke elektronen de kristallijne structuur bezetten.

"Naief, onderscheid maken tussen conventionele supergeleiding en tekenveranderende supergeleiding vereist een fasegevoelige meting van de supergeleidende ordeparameter, die zeer uitdagend kan zijn, " zei Ilya Belopolski, een postdoctoraal onderzoeker in de groep van Hasan en co-auteur van de studie. "Een mooi aspect van ons experiment is dat door schendingen van de stelling van Anderson te overwegen, we kunnen deze eis omzeilen."

In feite, het team ontdekte dat door een dergelijke tekenverandering in de volgordeparameter van de supergeleiding te introduceren, ze waren in staat om de vreemde evolutie van de kobaltonzuiverheden te reproduceren. Verder gaan dan deze initiële berekeningen, het team gebruikte nog drie ultramoderne theoretische methoden om de impact van de niet-magnetische kobaltverstrooiers op deze tekenveranderende supergeleider aan te tonen.

"Het feit dat drie verschillende theoretische modellen allemaal naar dezelfde verklaring wijzen, toont aan dat dit een robuuste conclusie is, " zei Jia-Xin Yin, een postdoctoraal onderzoeksmedewerker en een andere co-eerste auteur van de studie. In de zoektocht naar het oplossen van de mysteries van supergeleiding, Er worden ingewikkelde modellen ontwikkeld die het niet altijd met elkaar eens zijn. In dit geval, Yin zei, "de modelonafhankelijke resultaten stellen ondubbelzinnig vast dat dit een tekenveranderende exotische supergeleider is die oorspronkelijk niet werd overwogen door het werk van Anderson."