Een internationaal team heeft een verbazingwekkend fenomeen waargenomen in een nikkeloxide materiaal tijdens het afkoelen:in plaats van bevriezen, bepaalde schommelingen nemen juist toe naarmate de temperatuur daalt. Nikkeloxide is een modelsysteem dat qua structuur vergelijkbaar is met supergeleiders bij hoge temperaturen. Het experiment toont eens te meer aan dat het gedrag van deze materiaalklasse nog steeds voor verrassingen zorgt.

In vrijwel alle materie, lagere temperaturen betekenen minder beweging van de microscopische componenten. Hoe minder warmte-energie beschikbaar is, hoe minder vaak atomen van locatie veranderen of magnetische momenten van richting:ze bevriezen. Een internationaal team onder leiding van wetenschappers van HZB en DESY heeft nu voor het eerst het tegenovergestelde gedrag waargenomen in een nikkeloxide-materiaal dat nauw verwant is aan supergeleiders bij hoge temperaturen. Fluctuaties in dit nikkelaat bevriezen niet bij afkoeling, maar sneller worden.

We gebruikten de innovatieve techniek van röntgencorrelatiespectroscopie om ze te observeren:dit stelde ons in staat om de volgorde van elementaire magnetische momenten (spins) in ruimte en tijd te volgen met behulp van coherente zachte röntgenstralen. Deze spins rangschikken zich bij afkoeling in een streepachtig patroon. Deze volgorde is niet perfect bij hogere temperaturen, maar bestaat uit een willekeurige opstelling van kleine lokaal geordende regio's. We vonden deze regeling niet statisch, maar fluctueren op tijdschalen van enkele minuten. Terwijl de koeling voortduurt, deze fluctuaties worden aanvankelijk langzamer en langzamer en de individueel geordende regio's groeien. Tot dusver, dit gedrag komt overeen met wat veel materialen laten zien:hoe minder thermische energie beschikbaar is, hoe meer schommelingen bevriezen en de orde groeit.

Wat volkomen ongebruikelijk is en nog nooit op deze manier was waargenomen, was dat naarmate het materiaal verder afkoelde, de fluctuaties werden weer sneller, terwijl de geordende gebieden kromp. Streepvolgorde vervalt dus bij lage temperaturen, zowel ruimtelijk als door steeds snellere fluctuaties, met een soort antivries.

Deze waarneming kan helpen om supergeleiding bij hoge temperaturen in koperoxiden (cuprates) beter te begrijpen. in kopjes, streepvolgorde vergelijkbaar met die in nikkelaten wordt verondersteld te concurreren met supergeleiding. Daar, te, de streepvolgorde vervalt bij lage temperaturen, wat is uitgelegd als supergeleiding, inwerken bij lage temperaturen, onderdrukt de streepvolgorde. Aangezien er geen supergeleiding is in nikkelaten, maar de streeporde vervalt niettemin bij lage temperaturen, een belangrijk aspect lijkt te ontbreken in de huidige beschrijving van cupraat-supergeleiding. Het is mogelijk dat de streepvolgorde in cuprates niet zomaar onderdrukt wordt, maar vervalt ook om intrinsieke redenen, dus "het veld vrijmaken" voor de opkomst van supergeleiding. Een dieper begrip van dit mechanisme zou kunnen helpen om supergeleiding te beheersen.

De studie toont het potentieel aan van coherente zachte röntgenstralen voor het bestuderen van materialen die ruimtelijk niet-uniform zijn, vooral die materialen waar uit deze ruimtelijke non-uniformiteit nieuwe functionaliteit ontstaat. Correlatiespectroscopie met lasers wordt al tientallen jaren gebruikt om te bestuderen, bijvoorbeeld, de beweging van colloïden in oplossingen. Overgebracht op zachte röntgenstralen, de techniek kan worden gebruikt om de fluctuaties van magnetische en b.v. ook elektronische en chemische wanorde in ruimte en tijd.

De hier beschreven experimenten werden uitgevoerd bij de Advanced Light Source ALS, Californië.

Met toekomstige röntgenbronnen zoals BESSY III, die vele orden van grootte intensere coherente röntgenstraling zal produceren dan huidige bronnen, het wordt mogelijk om deze techniek uit te breiden naar snellere fluctuaties en kortere lengteschalen, en zo effecten waar te nemen die tot nu toe niet haalbaar waren.