Tijdens het bestuderen van het gedrag van elektronen in op ijzer gebaseerde supergeleidende materialen, onderzoekers van de Universiteit van Tokio namen een vreemd signaal waar met betrekking tot de manier waarop elektronen zijn gerangschikt. Het signaal impliceert een nieuwe rangschikking van elektronen die de onderzoekers een nematiciteitsgolf noemen, en ze hopen samen te werken met theoretische fysici om het beter te begrijpen. De nematiciteitsgolf zou onderzoekers kunnen helpen begrijpen hoe elektronen in supergeleiders met elkaar omgaan.

Een al lang bestaande droom van vastestoffysici is om het fenomeen supergeleiding volledig te begrijpen - in wezen elektronische geleiding zonder de weerstand die warmte creëert en stroom afvoert. Het zou een hele nieuwe wereld van ongelooflijk efficiënte of krachtige apparaten inluiden en wordt al gebruikt op de experimentele magnetische levitatie-kogeltrein van Japan. Maar er valt veel te ontdekken over dit complexe onderwerp, en het verrast onderzoekers vaak met onverwachte resultaten en observaties.

Professor Shik Shin van het Institute for Solid State Physics aan de Universiteit van Tokyo en zijn team bestuderen de manier waarop elektronen zich gedragen in op ijzer gebaseerde supergeleidende materialen. of IBSC's. Deze materialen zijn veelbelovend omdat ze bij hogere temperaturen kunnen werken dan sommige andere supergeleidende materialen, wat een belangrijk punt van zorg is. Ze gebruiken ook minder exotische materiaalcomponenten, dus het kan gemakkelijker en goedkoper zijn om mee te werken. Om het supergeleidende vermogen van een monster te activeren, het materiaal moet afgekoeld worden tot enkele honderden graden onder nul. En tijdens dit afkoelingsproces gebeuren er interessante dingen.

"Als IBSC's afkoelen tot een bepaald niveau, ze drukken een toestand uit die we elektronische nematiciteit noemen, "zei Shin. "Dit is waar het kristalrooster van het materiaal en de elektronen erin anders gerangschikt lijken te zijn, afhankelijk van de hoek waarin je ze bekijkt, ook wel bekend als anisotropie. We verwachten dat de manier waarop elektronen zijn gerangschikt nauw gekoppeld is aan de manier waarop het omringende kristalrooster is gerangschikt. Maar onze recente waarneming laat iets heel anders zien en eigenlijk best verrassend."

Shin en zijn team gebruikten een speciale techniek ontwikkeld door hun groep genaamd laser-PEEM (foto-emissie-elektronenmicroscopie) om hun IBSC-monster op microscopische schaal te visualiseren. Ze verwachtten een bekend patroon te zien dat zich om de paar nanometers (miljardsten van een meter) herhaalt. En inderdaad, het kristalrooster vertoonde dit patroon. Maar tot hun verbazing het team ontdekte dat het patroon van elektronen zich in plaats daarvan om de paar honderd nanometer herhaalde.

Deze ongelijkheid tussen de elektronennematiciteitsgolf en de kristallijne structuur van de IBSC was onverwacht, dus de gevolgen ervan worden nog onderzocht. Maar het resultaat zou de deur kunnen openen naar theoretische en experimentele verkenningen naar iets fundamenteels voor het fenomeen supergeleiding, en dat is de manier waarop elektronen paren vormen bij lage temperaturen. Kennis van dit proces kan cruciaal zijn voor de ontwikkeling van supergeleiding bij hoge temperaturen. Dus als nematiciteitsgolven gerelateerd zijn, het is belangrijk om te weten hoe.

"Volgende, Ik hoop dat we met theoretische natuurkundigen kunnen werken om ons begrip van nematiciteitsgolven te vergroten, " zei Shin. "We willen ook laser-PEEM gebruiken om andere verwante materialen te bestuderen, zoals metaaloxiden zoals koperoxide. Het is misschien niet altijd duidelijk waar de toepassingen liggen, maar werken aan problemen van fundamentele fysica fascineert me echt."

De studie is gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap .