Natuurkundigen uit drie continenten rapporteren het eerste experimentele bewijs om het ongebruikelijke elektronische gedrag achter 's werelds dunste supergeleider te verklaren, een materiaal met talloze toepassingen omdat het elektriciteit uiterst efficiënt geleidt. In dit geval is de supergeleider slechts een atomaire laag dik.

Het werk, onder leiding van een MIT-professor en een natuurkundige aan het Brookhaven National Laboratory, was mogelijk dankzij nieuwe instrumenten die slechts op enkele locaties ter wereld beschikbaar waren. De resulterende gegevens kunnen helpen bij de ontwikkeling van betere supergeleiders. Deze zouden op hun beurt de medische diagnostiek, kwantumcomputers, en energietransport, die allemaal supergeleiders gebruiken.

Het onderwerp van het werk behoort tot een opwindende klasse van supergeleiders die supergeleidend worden bij temperaturen die een orde van grootte hoger zijn dan hun conventionele tegenhangers, waardoor ze gemakkelijker te gebruiken zijn in toepassingen. Conventionele supergeleiders werken alleen bij temperaturen rond de 10 Kelvin, of -442 Fahrenheit.

Deze zogenaamde hoge temperatuur supergeleiders, echter, nog niet helemaal begrepen. "Hun microscopische excitaties en dynamiek zijn essentieel voor het begrijpen van supergeleiding, maar na 30 jaar onderzoek, veel vragen staan ​​nog open, " zegt Riccardo Comin, de Class of 1947 Career Development Assistant Professor of Physics aan het MIT. Het nieuwe werk, die op 25 mei wordt gemeld, uitgave van 2021 Natuurcommunicatie , helpt bij het beantwoorden van die vragen.

's Werelds dunste supergeleider

In 2015 ontdekten wetenschappers een nieuw soort supergeleider voor hoge temperaturen:een plaat ijzerselenide van slechts één atoomlaag dik die supergeleidend kan zijn bij 65 Kelvin. In tegenstelling tot, bulkmonsters van hetzelfde materiaal supergeleiding bij een veel lagere temperatuur (8 Kelvin). De ontdekking "vond een onderzoeksvlaag om de geheimen van 's werelds dunste supergeleider te ontcijferen, " zegt Comin, die ook verbonden is aan het Materials Research Laboratory van MIT.

In een normaal metaal, elektronen gedragen zich net als individuele mensen die in een kamer dansen. In een supergeleidend metaal, de elektronen bewegen in paren, als koppels op een dansfeest. "En al deze paren bewegen in koor, alsof ze deel uitmaken van een kwantumchoreografie, uiteindelijk leidend tot een soort elektronische superfluïde, ' zegt Komijn.

Maar wat is de interactie, of "lijm, " die deze elektronenparen bij elkaar houdt? Wetenschappers weten al lang dat in conventionele supergeleiders, die lijm is afgeleid van de beweging van atomen in een materiaal. "Als je kijkt naar een solide zittend op een tafel, het lijkt niets te doen, ' zegt Comin. "Er gebeurt veel op nanoschaal. Daarbinnen vliegen elektronen in alle mogelijke richtingen voorbij en de atomen ratelen; ze trillen." In conventionele supergeleiders, de elektronen gebruiken de energie die is opgeslagen in die atomaire beweging om te paren.

De lijm achter de elektronenparing in supergeleiders bij hoge temperaturen is anders. Wetenschappers hebben getheoretiseerd dat deze lijm gerelateerd is aan een eigenschap van elektronen genaamd spin (een andere, meer bekende eigenschap van elektronen is hun lading). De spin kan worden gezien als een elementaire magneet, zegt Pelliciari. Het idee is dat in een hoge temperatuur supergeleider, elektronen kunnen een deel van de energie van deze spins opnemen, bekend als spin-excitaties. En die energie is de lijm die ze gebruiken om te paren.

Tot nu, de meeste natuurkundigen dachten dat het onmogelijk zou zijn om spin-excitaties te detecteren of te meten in een materiaal dat slechts een atomaire laag dik is. Dat is de opmerkelijke prestatie van het werk waarover wordt gerapporteerd in Natuurcommunicatie . De natuurkundigen hebben niet alleen spin-excitaties gedetecteerd, maar, onder andere, ze toonden ook aan dat de spindynamiek in het ultradunne monster dramatisch verschilde van die in het bulkmonster. specifiek, de energie van de fluctuerende spins in het ultradunne monster was veel hoger - met een factor vier of vijf - dan de energie van de spins in het bulkmonster.

"Dit is het eerste experimentele bewijs van de aanwezigheid van spin-excitaties in een atomair dun materiaal, ', zegt Pelliciari.

State-of-the-art apparatuur

historisch, neutronenverstrooiing is gebruikt om magnetisme te bestuderen. Omdat spin de fundamentele eigenschap van magnetisme is, neutronenverstrooiing lijkt een goede experimentele sonde. "Het probleem is dat neutronenverstrooiing niet werkt op een materiaal dat maar één atoomlaag dik is, ', zegt Pelliciari.

Voer resonante inelastische röntgenverstrooiing (RIXS) in, een nieuwe experimentele techniek die Pelliciari hielp pionieren.

Hij en Comin bespraken het potentieel om RIXS te gebruiken om de spindynamiek van de nieuwe ultradunne supergeleider te bestuderen, maar Comin was aanvankelijk sceptisch. "Ik dacht, 'Ja, het zou geweldig zijn als we dit zouden kunnen doen, maar experimenteel zal het bijna onmogelijk zijn, '" herinnert Comin zich. "Ik dacht dat het een echte moonshot was." "toen Johnny de allereerste resultaten verzamelde, het was verbijsterend voor mij. Ik had mijn verwachtingen laag gehouden, dus toen ik de gegevens zag, Ik sprong op mijn stoel."

Slechts een paar faciliteiten in de wereld beschikken over geavanceerde RIXS-instrumenten. Een, gevestigd bij Diamond Light Source (VK) en geleid door Dr. Zhou, is waar het team hun experiment heeft uitgevoerd. Nog een, die ten tijde van het experiment nog in aanbouw was, is in het Brookhaven National Laboratory. Pelliciari maakt nu deel uit van het team dat de RIXS-faciliteit runt, bekend als de Beamline SIX, bij de National Synchrotron Light Source II in Brookhaven Lab.

"De impact van dit werk is tweeledig, " zegt dr. Thorsten Schmitt, hoofd van de Spectroscopie van de Novel Materials Group aan het Paul Scherrer Institut in Zwitserland. Schmitt was niet betrokken bij het werk. "Aan de experimentele kant, het is een indrukwekkende demonstratie van de gevoeligheid van RIXS voor de spin-excitaties in een supergeleidend materiaal dat slechts een atomaire laag dik is. Verder, de [resulterende gegevens] zullen naar verwachting bijdragen aan het begrip van de verbetering van de supergeleidende overgangstemperatuur in dergelijke dunne supergeleiders." Met andere woorden, het werk zou kunnen leiden tot nog betere supergeleiders.

Zegt Valentina Bisogni, hoofdwetenschapper voor de Beamline SIX, "het begrip van onconventionele supergeleiding is een van de belangrijkste uitdagingen waarmee wetenschappers vandaag worden geconfronteerd. De recente ontdekking van supergeleiding bij hoge temperatuur in een monolaag-dunne film van ijzerselenide hernieuwde de interesse in het ijzerselenidesysteem, omdat het een nieuwe route biedt om de mechanismen te onderzoeken die supergeleiding bij hoge temperaturen mogelijk maken.

"In deze context, het werk van Pelliciari et al. presenteert een verhelderend, vergelijkende studie van bulkijzerselenide en monolaag-dun ijzerselenide, waaruit een dramatische herconfiguratie van de spin-excitaties blijkt." Bisogni was niet betrokken bij het Pelliciari-werk.