Tot nu, de geschiedenis van supergeleidende materialen is een verhaal van twee soorten:s-golf en d-golf.

Nutsvoorzieningen, Cornell-onderzoekers - onder leiding van Brad Ramshaw, de Dick &Dale Reis Johnson-assistent-professor aan het College of Arts and Sciences - hebben een mogelijk derde type ontdekt:g-golf.

hun papier, "Thermodynamisch bewijs voor een tweecomponenten supergeleidende orderparameter in Sr ₂ RuO ₄ , " gepubliceerd op 21 september in Natuurfysica . De hoofdauteur is promovendus Sayak Ghosh, MEVROUW. '19.

Elektronen in supergeleiders bewegen samen in zogenaamde Cooper-paren. Deze "koppeling" geeft supergeleiders hun beroemdste eigenschap - geen elektrische weerstand - omdat, om weerstand op te wekken, de Cooper-paren moeten uit elkaar worden gehaald, en dit kost energie.

In s-golf supergeleiders - over het algemeen conventionele materialen, zoals lood, tin en kwik - de Cooper-paren zijn gemaakt van één elektron dat naar boven wijst en één naar beneden, beide gaan frontaal naar elkaar toe, zonder netto impulsmoment. In de afgelopen decennia, een nieuwe klasse van exotische materialen vertoont wat d-golf supergeleiding wordt genoemd, waarbij de Cooper-paren twee quanta van impulsmoment hebben.

Natuurkundigen hebben het bestaan ​​van een derde type supergeleider tussen deze twee zogenaamde "singlet"-toestanden getheoretiseerd:een p-golf supergeleider, met één quanta van impulsmoment en de elektronen paren met parallelle in plaats van antiparallelle spins. Deze spin-triplet-supergeleider zou een grote doorbraak zijn voor kwantumcomputers omdat hij kan worden gebruikt om Majorana-fermionen te maken, een uniek deeltje dat zijn eigen antideeltje is.

Al meer dan 20 jaar, een van de belangrijkste kandidaten voor een p-golf supergeleider is strontiumruthenaat (Sr2RuO4), hoewel recent onderzoek gaten in het idee begint te prikken.

Ramshaw en zijn team wilden voor eens en voor altijd bepalen of strontiumruthenaat een zeer gewenste p-golf supergeleider is. Met behulp van hoge resolutie resonante ultrasone spectroscopie, ze ontdekten dat het materiaal potentieel een geheel nieuw soort supergeleider is:g-golf.

"Dit experiment laat echt de mogelijkheid zien van dit nieuwe type supergeleider waar we nog nooit aan hadden gedacht, "Zei Ramshaw. "Het opent werkelijk de ruimte van mogelijkheden voor wat een supergeleider kan zijn en hoe het zich kan manifesteren. Als we ooit grip krijgen op het besturen van supergeleiders en ze in technologie gebruiken met het soort verfijnde controle die we hebben met halfgeleiders, we willen echt weten hoe ze werken en in welke variëteiten en smaken ze komen."

Net als bij eerdere projecten, Ramshaw en Ghosh gebruikten resonante ultrasone spectroscopie om de symmetrie-eigenschappen van de supergeleiding te bestuderen in een kristal van strontiumruthenaat dat werd gekweekt en nauwkeurig gesneden door medewerkers van het Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids in Duitsland.

Echter, in tegenstelling tot eerdere pogingen, Ramshaw en Ghosh ondervonden een groot probleem bij het uitvoeren van het experiment.

"Het is moeilijk om resonante echografie af te koelen tot 1 kelvin (min 457,87 graden Fahrenheit), en we moesten een compleet nieuw apparaat bouwen om dit te bereiken, ' zei Gosh.

Met hun nieuwe opzet, het Cornell-team mat de respons van de elastische constanten van het kristal - in wezen de geluidssnelheid in het materiaal - op een verscheidenheid aan geluidsgolven terwijl het materiaal afkoelde door zijn supergeleidende overgang bij 1,4 kelvin (min 457 graden Fahrenheit).

"Dit zijn verreweg de meest nauwkeurige resonante ultrasone spectroscopiegegevens die ooit zijn genomen bij deze lage temperaturen, ' zei Ramsja.

Op basis van de gegevens, ze hebben vastgesteld dat strontiumruthenaat een zogenaamde tweecomponenten-supergeleider is, wat betekent dat de manier waarop elektronen aan elkaar binden zo complex is, het kan niet worden beschreven door een enkel nummer; het heeft ook een richting nodig.

Eerdere studies hadden nucleaire magnetische resonantie (NMR) spectroscopie gebruikt om de mogelijkheden te verkleinen van wat voor soort golfmateriaal strontiumruthenaat zou kunnen zijn, effectief elimineren van p-wave als een optie.

Door vast te stellen dat het materiaal uit twee componenten bestond, Het team van Ramshaw bevestigde niet alleen die bevindingen, maar toonde ook aan dat strontiumruthenaat geen conventionele s- of d-golf supergeleider was, of.

"Resonante echografie laat je echt naar binnen gaan en zelfs als je niet alle microscopische details kunt identificeren, kun je brede uitspraken doen over welke uitgesloten zijn, "Zei Ramshaw. "Dus de enige dingen waarmee de experimenten in overeenstemming zijn, zijn deze zeer, hele rare dingen die niemand ooit eerder heeft gezien. Een daarvan is g-golf, wat betekent impulsmoment 4. Niemand heeft ooit gedacht dat er een g-golf supergeleider zou zijn."

Nu kunnen de onderzoekers de techniek gebruiken om andere materialen te onderzoeken om erachter te komen of ze potentiële p-golfkandidaten zijn.

Echter, het werk aan strontiumruthenaat is nog niet klaar.

"Dit materiaal is buitengewoon goed bestudeerd in veel verschillende contexten, niet alleen vanwege zijn supergeleiding, " zei Ramshaw. "We begrijpen wat voor soort metaal het is, waarom het een metaal is, hoe het zich gedraagt ​​als je van temperatuur verandert, hoe het zich gedraagt ​​als je het magnetische veld verandert. Dus je zou in staat moeten zijn om een ​​theorie te construeren waarom het hier een supergeleider wordt, beter dan waar dan ook."