Jarenlang hebben natuurkundigen geprobeerd de elektronische details van supergeleiders bij hoge temperaturen te ontcijferen. Deze materialen kunnen een revolutie teweegbrengen in de energietransmissie en elektronica vanwege hun vermogen om elektrische stroom te geleiden zonder energieverlies wanneer ze onder een bepaalde temperatuur worden gekoeld. Details van de microscopische elektronische structuur van "high-Tc" supergeleiders zouden kunnen onthullen hoe verschillende fasen (materietoestanden) concurreren of interageren met supergeleiding - een toestand waarin gelijkgeladen elektronen op de een of andere manier hun afstoting overwinnen om te paren en vrij te stromen. Het uiteindelijke doel is om te begrijpen hoe deze materialen als supergeleiders kunnen werken zonder dat onderkoeling nodig is.

Nu hebben wetenschappers die high-Tc-supergeleiders bestuderen aan het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie definitief bewijs voor het bestaan ​​van een toestand van materie die bekend staat als een golf van paardichtheid - voor het eerst voorspeld door theoretici zo'n 50 jaar geleden. hun resultaten, gepubliceerd in het tijdschrift Natuur , laten zien dat deze fase naast supergeleiding bestaat in een bekende op bismut gebaseerde koperoxide-supergeleider.

"Dit is het eerste directe spectroscopische bewijs dat de paardichtheidsgolf bestaat bij een magnetisch veld van nul, " zei Kazuhiro Fujita, de natuurkundige die het onderzoek leidde bij Brookhaven Lab. "We hebben vastgesteld dat de golf van paardichtheidsgolven een belangrijke rol speelt in dit materiaal. Onze resultaten laten zien dat deze twee toestanden van materie - golf van paardichtheid en supergeleiding - naast elkaar bestaan ​​en op elkaar inwerken."

De resultaten van het team zijn afkomstig van metingen van de tunneling-spectra van enkele elektronen met behulp van een ultramoderne spectroscopische beeldvormende scanning tunneling-microscoop (SI-STM) in het OASIS-laboratorium van Brookhaven.

"Wat we meten is hoeveel elektronen op een bepaalde locatie 'tunnelen' van het monsteroppervlak naar de supergeleidende elektrodepunt van de SI-STM en vice versa, terwijl we de energie (spanning) tussen het monster en de punt variëren, "Zei Fujita. "Met die metingen kunnen we het kristalrooster en de elektronendichtheid van toestanden in kaart brengen - evenals het aantal elektronen dat we op een bepaalde locatie hebben."

Wanneer het materiaal niet supergeleidend is, elektronen bestaan ​​over een continu spectrum van energieën, elk plant zich voort op zijn eigen unieke golflengte. Maar als de temperatuur daalt, de elektronen beginnen te interageren - paren als het materiaal de supergeleidende toestand binnengaat. Wanneer dit gebeurt, wetenschappers observeren een gat in het energiespectrum, gecreëerd door een afwezigheid van elektronen binnen dat specifieke energiebereik.

"De energie van de opening is gelijk aan de energie die nodig is om de elektronenparen uit elkaar te halen (wat je vertelt hoe stevig ze waren), ' zei Fujita.

Terwijl de wetenschappers over het oppervlak van het materiaal scanden, ze ontdekten ruimtelijk modulerende energiekloofstructuren. Deze modulaties in de energiekloof onthulden dat de sterkte van de binding van elektronen varieert - toenemend tot een maximum, vervolgens tot een minimum dompelen - waarbij dit patroon zich elke acht atomen herhaalt over het oppervlak van het regelmatig gerangschikte kristalrooster.

Dit werk bouwde voort op eerdere metingen die aantoonden dat de stroom die wordt gecreëerd door elektronenparen die in de microscoop tunnelen, ook op dezelfde periodieke manier varieerde. Die modulaties in de stroom waren het eerste bewijs, hoewel enigszins indirect, dat de paardichtheidsgolf aanwezig was.

"Modulaties in de stroom van de gepaarde elektronen is een indicator dat er modulaties zijn in hoe sterk gepaarde elektronen over het oppervlak zijn. Maar deze keer, door het energiespectrum van individuele elektronen te meten, we zijn erin geslaagd om de modulerende kloof in de spectra waar paring optreedt direct te meten. De modulaties in de grootte van die openingen zijn direct spectroscopisch bewijs dat de golftoestand van de paardichtheid bestaat, ' zei Fujita.

De nieuwe resultaten bevatten ook bewijs van andere belangrijke kenmerken van de paardichtheidsgolf - inclusief defecten die "halve wervels" worden genoemd - evenals de interacties met de supergeleidende fase.

In aanvulling, de modulaties van de energiekloof weerspiegelen ander Brookhaven Lab-onderzoek dat wijst op het bestaan ​​van modulerende patronen van elektronische en magnetische kenmerken - soms aangeduid als "strepen" - die ook voorkomen met een periodiciteit van acht eenheden in bepaalde supergeleiders met een hoge Tc-cuprate.

"Samen geven deze bevindingen aan dat de paardichtheidsgolf een belangrijke rol speelt in de supergeleidende eigenschappen van deze materialen. Als we deze toestand begrijpen, kunnen we het complexe fasediagram begrijpen dat in kaart brengt hoe supergeleidende eigenschappen onder verschillende omstandigheden ontstaan, inclusief temperatuur, magnetisch veld, en ladingsdragerdichtheid, ' zei Fujita.