De aanwezigheid van akoestische plasmonen in p-type (gat-gedoteerde) cupraat-supergeleiders is nu bevestigd door Dr. Ke-Jin Zhou en zijn team met behulp van hoge resolutie RIXS (Resonant Inelastische X-ray Scattering), bij de I21-bundellijn van Diamond Light Source. Deze ontdekking beschreven in hun onlangs gepubliceerde artikel in Fysieke beoordelingsbrieven opent nieuwe mogelijkheden om deze collectieve ladingsexcitaties en hun rol in supergeleiding te bestuderen en te begrijpen. Dit kan het mogelijk maken om supergeleiders met zeer hoge temperaturen te ontwerpen, die zich lenen voor praktische toepassingen zoals zeer efficiënte energietransmissie.

Cuprate-supergeleiders zijn een familie van keramische verbindingen waarin isolerende blokken zijn ingeklemd tussen lagen koper- en zuurstofatomen. Wanneer gedoteerd met geschikte atomen, deze materialen worden supergeleiders, dat is, elektrische weerstand daalt tot nul onder kritische temperaturen. Wetenschappers streven er voortdurend naar om supergeleiders te ontwerpen die bij kamertemperatuur zouden kunnen werken. Echter, dit vereist een vollediger begrip van hoe gedoteerde ladingen zich collectief gedragen.

Principal Beamline Scientist bij Diamond, en hoofdonderzoeker, Dr. Ke-Jin Zhou legt uit dat in 2018, onderzoekers van Stanford University die RIXS gebruiken bij de European Synchrotron Radiation Facility (ESRF), maakte eindelijk een doorbraak en ontdekte akoestische plasmonen, een soort collectieve ladingsexcitaties, in een n-type (met elektronen gedoteerde) cuprate-supergeleider ¹ . Vanwege de ladingsgevoeligheid RIXS is de perfecte tool om collectief laadgedrag te bestuderen. Het biedt een veel completer beeld dan (bijvoorbeeld) inelastische neutronenverstrooiing, optische Raman-verstrooiing of elektronen-energieverliesspectroscopie. De Stanford-onderzoekers onderzochten het met elektronen gedoteerde cupraat LCCO (lanthaan cerium koperoxide), met behulp van Cu L ₃ -RIXS, die zich richt op de koperatomen.

Met behulp van RIXS bij Diamond, in 2020, het team bevestigde de aanwezigheid van akoestische plasmonen in met p-type gedoteerde cuprate supergeleiders en dat ze voornamelijk worden geassocieerd met de zuurstofatomen. "Dit zijn opmerkelijke resultaten. Het lijkt erop dat de collectieve ladingsexcitaties een sterke voorkeur hebben in de ruimte, ondanks het feit dat de ladingen geassocieerd met Cu- en O-atomen sterk met elkaar gehybridiseerd zijn. Als we dit begrijpen, kunnen we de grondtoestand van de cuprate-supergeleiders verduidelijken, " zegt hoofdauteur Dr. Abhishek Nag.

Er zijn niet veel n-type cuprates, en ze hebben relatief lage kritische temperaturen. Dit betekent dat ze beperkte mogelijkheden bieden voor onderzoekers die willen onderzoeken hoe dit collectieve gedrag verandert met de temperatuur. Er is een groter aantal p-type (gedoteerde) cupraten, en ze hebben over het algemeen hogere overgangstemperaturen. Het vinden van akoestische plasmonen in p-type cupraten verduidelijkt hun universele aanwezigheid, ongeacht het teken van de gedoteerde ladingen in cuprate supergeleiders, en opent ook nieuwe wegen voor onderzoek.

Het onderzoek is niet beperkt tot cuprates. RIXS zou ook licht kunnen werpen op plasmongedrag in andere gelaagde supergeleiders, waaronder ijzer-pnictiden en de nieuw gevonden nikkelaat supergeleiders.

"Het doel van dit onderzoek is om ons fundamentele begrip van het mechanisme waardoor supergeleiding plaatsvindt te verbeteren. Aangezien we nu weten dat akoestische plasmonen aanwezig zijn in zowel n- als p-type cuprates-supergeleiders, en de specifieke routes om ze in elk type te bestuderen, we kunnen ons concentreren op het uitzoeken of ze een rol spelen in supergeleiding. Dit zou, beurtelings, maken het mogelijk om supergeleiders met een zeer hoge temperatuur te ontwerpen, die zich lenen voor praktische toepassingen zoals zeer efficiënte energietransmissie, " voegt Dr. Ke-Jin Zhou toe.

Het team zegt dat het gerapporteerde werk slechts het begin markeert van het plasmononderzoek in supergeleiders. Ze zijn van plan om RIXS te blijven gebruiken om akoestische plasmonen in cuprate supergeleiders te onderzoeken, verschillende materialen onderzoeken, en verschillende niveaus van doping, bij een reeks temperaturen boven en onder de kritische temperatuur.

De studie beschrijft hoe ze het bestaan ​​van sterk dispersieve laagfrequente akoestische plasmonen in een uitgebreide O . hebben aangetoond K -RIXS-studie van twee representatieve p-type cupraatmaterialen:La _1.84 sr _0,16 CuO ₄ (LSCO) en Bi ₂ sr _1.6 La _0,4 CuO _6+δ (Bi2201). Hun resultaten laten zien dat de aard van akoestische plasmonen vergelijkbaar is in cuprates met verschillende soorten gedoteerde ladingen.

Het artikel genaamd "The nature of plasmon excitations in hole-gedoteerde cuprate supergeleiders" is gepubliceerd in: Fysieke beoordelingsbrieven .