Onderzoekers van de School of Physics van de Universiteit van Bristol gebruikten enkele van Europa's sterkste continue magnetische velden om bewijs te vinden van exotische ladingsdragers in de metallische toestand van koperoxide hoge-temperatuur supergeleiders (hoge Tc cuprates). Hun resultaten zijn deze week gepubliceerd in Natuur . In een gerelateerde publicatie in SciPost Physics vorige week, het team stelde dat het deze exotische ladingsdragers zijn die de supergeleidende paren vormen, in schril contrast met de verwachtingen van de conventionele theorie.

Supergeleiding is een fascinerend fenomeen waarbij, onder een zogenaamde kritische temperatuur, een materiaal verliest al zijn weerstand tegen elektrische stromen. Bij bepaalde materialen bij lage temperaturen, alle elektronen zijn verstrengeld in een enkele, macroscopische kwantumtoestand, wat betekent dat ze zich niet langer gedragen als individuele deeltjes, maar als een collectief, wat resulteert in supergeleiding. De algemene theorie voor dit collectieve elektronengedrag is al lang bekend, maar één familie van materialen, de kopjes, weigert zich te conformeren aan het paradigma. Ze bezitten ook de hoogste omgevingsdruk supergeleidende overgangstemperaturen waarvan bekend is dat ze bestaan. Lang werd gedacht dat voor deze materialen het mechanisme dat de elektronen 'aan elkaar plakt' speciaal moest zijn, maar recentelijk is de aandacht verschoven en nu onderzoeken natuurkundigen de niet-supergeleidende toestanden van cuprates, in de hoop aanwijzingen te vinden voor de oorsprong van supergeleiding bij hoge temperatuur en het onderscheid met normale supergeleiders.

Supergeleiding bij hoge temperatuur

De meeste supergeleiders, bij verhitting om hun kritische temperatuur te overschrijden, veranderen in 'gewone' metalen. De kwantumverstrengeling die het collectieve gedrag van de elektronen veroorzaakt, vervaagt, en de elektronen gaan zich gedragen als een gewoon 'gas' van geladen deeltjes.

Cuprates zijn speciaal, echter. Ten eerste, Zoals hierboven vermeld, omdat hun kritische temperatuur aanzienlijk hoger is dan die van andere supergeleiders. Ten tweede, ze hebben zelfs in hun 'metaalfase' zeer bijzondere meetbare eigenschappen. In 2009, natuurkundige prof. Nigel Hussey en medewerkers hebben experimenteel waargenomen dat de elektronen in deze materialen een nieuw type structuur vormen, verschilt van die in gewone metalen, daarmee een nieuw paradigma tot stand brengend dat wetenschappers nu het 'vreemde metaal' noemen. specifiek, de soortelijke weerstand bij lage temperaturen bleek evenredig te zijn met de temperatuur, niet op een enkelvoudig punt in het fasediagram van temperatuur versus doping (zoals verwacht voor een metaal dichtbij een magnetisch kwantumkritisch punt), maar over een groter bereik van doping. Deze uitgebreide kriticiteit werd een bepalend kenmerk van de 'vreemde metaal'-fase waaruit supergeleiding naar voren komt in de cuprates.

Magnetoweerstand in een vreemd metaal

In de eerste van deze nieuwe rapporten, EPSRC Doctoraatsprijs Fellow Jakes Ayres en Ph.D. student Maarten Berben (gevestigd aan HFML-FELIX in Nijmegen, Nederland) bestudeerde de magnetoweerstand - de verandering in soortelijke weerstand in een magnetisch veld - en ontdekte iets onverwachts. In tegenstelling tot de reactie van gebruikelijke metalen, de magnetoweerstand bleek een eigenaardige respons te volgen waarin het magnetische veld en de temperatuur in kwadratuur verschijnen. Dergelijk gedrag was eerder alleen waargenomen op een enkelvoudig kwantumkritisch punt, maar hier, zoals bij de nulveldweerstand, de kwadratuurvorm van de magnetoweerstand werd waargenomen over een groter bereik van doping. Bovendien, de sterkte van de magnetoweerstand bleek twee orden van grootte groter te zijn dan verwacht van conventionele orbitale beweging en ongevoelig voor het niveau van wanorde in het materiaal en voor de richting van het magnetische veld ten opzichte van de elektrische stroom. Deze kenmerken in de gegevens, in combinatie met de kwadratuurschaling, suggereerde dat de oorsprong van deze ongewone magnetoweerstand niet de coherente baanbeweging van conventionele metalen dragers was, maar eerder een niet-orbitale, onsamenhangende beweging van een ander type drager waarvan de energie werd gedissipeerd met de maximale snelheid toegestaan ​​door de kwantummechanica.

Van maximale naar minimale dissipatie

Prof Hussey zei:"Rekening houdend met eerdere Hall-effectmetingen, we hadden overtuigend bewijs voor twee verschillende soorten dragers in cuprates - een conventionele, de andere 'vreemd'. De hamvraag was toen welk type verantwoordelijk was voor supergeleiding bij hoge temperaturen? Ons team onder leiding van Matija Čulo en Caitlin Duffy vergeleek vervolgens de evolutie van de dichtheid van conventionele dragers in de normale toestand en de paardichtheid in de supergeleidende toestand en kwam tot een fascinerende conclusie; dat de supergeleidende toestand in cupraten in feite bestaat uit die exotische dragers die zo'n maximale dissipatie ondergaan in de metallische toestand. Dit staat ver af van de oorspronkelijke theorie van supergeleiding en suggereert dat er een geheel nieuw paradigma nodig is, een waarin het vreemde metaal centraal staat."