Wanneer wetenschappers onconventionele supergeleiders bestuderen - complexe materialen die elektriciteit geleiden zonder verlies bij relatief hoge temperaturen - vertrouwen ze vaak op vereenvoudigde modellen om te begrijpen wat er aan de hand is.

Onderzoekers weten dat deze kwantummaterialen hun capaciteiten krijgen van elektronen die hun krachten bundelen om een ​​soort elektronensoep te vormen. Maar het modelleren van dit proces in al zijn complexiteit zou veel meer tijd en rekenkracht vergen dan iemand zich tegenwoordig kan voorstellen. Dus voor het begrijpen van een belangrijke klasse van onconventionele supergeleiders - koperoxiden, of cuprates—onderzoekers gemaakt, voor eenvoud, een theoretisch model waarin het materiaal in slechts één dimensie bestaat, als een reeks atomen. Ze maakten deze eendimensionale cuprates in het lab en ontdekten dat hun gedrag redelijk goed overeenkwam met de theorie.

Helaas, deze 1D-atoomketens misten één ding:ze konden niet worden gedoteerd, een proces waarbij sommige atomen worden vervangen door andere om het aantal elektronen te veranderen dat vrij kan bewegen. Doping is een van de vele factoren die wetenschappers kunnen aanpassen om het gedrag van dit soort materialen aan te passen. en het is een cruciaal onderdeel om ze supergeleid te krijgen.

Nu heeft een onderzoek onder leiding van wetenschappers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy en de universiteiten van Stanford en Clemson het eerste 1D-cupraatmateriaal gesynthetiseerd dat kan worden gedoteerd. Hun analyse van het gedoteerde materiaal suggereert dat het meest prominente voorgestelde model van hoe cuprates supergeleiding bereiken een belangrijk ingrediënt mist:een onverwacht sterke aantrekkingskracht tussen naburige elektronen in de atomaire structuur van het materiaal, of rooster. Die aantrekkingskracht, ze zeiden, kan het resultaat zijn van interacties met natuurlijke roostertrillingen.

Het team rapporteerde hun bevindingen vandaag in Wetenschap .

"Het onvermogen om eendimensionale cuprate-systemen controleerbaar te dopen, is al meer dan twee decennia een belangrijke belemmering voor het begrijpen van deze materialen, " zei Zhi-Xun Shen, een Stanford-professor en onderzoeker bij het Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) bij SLAC.

"Nu we het gedaan hebben, " hij zei, "onze experimenten laten zien dat ons huidige model een heel belangrijk fenomeen mist dat aanwezig is in het echte materiaal."

Zhuoyu Chen, een postdoctoraal onderzoeker in Shen's lab die het experimentele deel van de studie leidde, zei dat het onderzoek mogelijk werd gemaakt door een systeem dat het team heeft ontwikkeld voor het maken van 1D-ketens ingebed in een 3D-materiaal en deze rechtstreeks naar een kamer bij SLAC's Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) te verplaatsen voor analyse met een krachtige röntgenstraal.

"Het is een unieke opstelling, " hij zei, "en onmisbaar voor het verkrijgen van de hoogwaardige gegevens die we nodig hadden om deze zeer subtiele effecten te zien."

Van roosters tot kettingen, in theorie

Het overheersende model dat wordt gebruikt om deze complexe materialen te simuleren, staat bekend als het Hubbard-model. In zijn 2D-versie, het is gebaseerd op een vlakke, gelijkmatig verdeeld raster van de eenvoudigst mogelijke atomen.

Maar dit basis 2D-raster is al te ingewikkeld voor de huidige computers en algoritmen om te verwerken, zei Thomas Devereaux, een SLAC- en Stanford-professor en SIMES-onderzoeker die toezicht hield op het theoretische deel van dit werk. Er is geen algemeen aanvaarde manier om ervoor te zorgen dat de berekeningen van het model voor de fysieke eigenschappen van het materiaal correct zijn, dus als ze niet overeenkomen met experimentele resultaten, is het onmogelijk om te zeggen of de berekeningen of het theoretische model fout zijn gegaan.

Om dat probleem op te lossen, wetenschappers hebben het Hubbard-model toegepast op 1D-ketens van het eenvoudigst mogelijke cuprate-rooster - een reeks koper- en zuurstofatomen. Deze 1D-versie van het model kan het collectieve gedrag van elektronen in materialen gemaakt van ongedoteerde 1D-ketens nauwkeurig berekenen en vastleggen. Maar tot nu toe, er is geen manier geweest om de nauwkeurigheid van de voorspellingen voor de gedoteerde versies van de kettingen te testen, omdat niemand ze in het laboratorium kon maken, ondanks meer dan twee decennia van proberen.

"Onze belangrijkste prestatie was het synthetiseren van deze gedoteerde ketens, " zei Chen. "We waren in staat om ze over een zeer breed bereik te dopen en systematische gegevens te krijgen om vast te stellen wat we waarnamen."

Eén atoomlaag tegelijk

Om de gedoteerde 1D-kettingen te maken, Chen en zijn collega's sproeiden een film van een cupraatmateriaal dat bekend staat als barium strontium koperoxide (BSCO), slechts een paar atoomlagen dik, op een ondersteunend oppervlak in een afgesloten kamer bij de speciaal ontworpen SSRL-bundellijn. De vorm van de roosters in de film en op het oppervlak zijn zo opgesteld dat er 1D-ketens van koper en zuurstof ontstaan ​​die zijn ingebed in het 3D BSCO-materiaal.

Ze hebben de kettingen gedoteerd door ze bloot te stellen aan ozon en hitte, die zuurstofatomen aan hun atoomroosters toevoegden, zei Chen. Elk zuurstofatoom trok een elektron uit de keten, en die vrijgekomen elektronen worden mobieler. Wanneer miljoenen van deze vrij stromende elektronen samenkomen, ze kunnen de collectieve staat creëren die de basis is van supergeleiding.

Vervolgens pendelden de onderzoekers hun kettingen naar een ander deel van de bundellijn voor analyse met hoek-opgeloste foto-emissiespectroscopie, of ARPES. Deze techniek wierp elektronen uit de ketens en mat hun richting en energie, waardoor wetenschappers een gedetailleerd en gevoelig beeld krijgen van hoe de elektronen in het materiaal zich gedragen.

Verrassend sterke attracties

Hun analyse toonde aan dat in het gedoteerde 1D-materiaal, de aantrekkingskracht van de elektronen op hun tegenhangers in naburige roosterplaatsen is 10 keer sterker dan het Hubbard-model voorspelt, zei Yao Wang, een assistent-professor aan de Clemson University die aan de theoretische kant van de studie werkte.

Het onderzoeksteam suggereerde dat dit hoge niveau van aantrekkingskracht van de "naaste buren" kan voortkomen uit interacties met fononen - natuurlijke trillingen die het atomaire rooster doen schudden. Van fononen is bekend dat ze een rol spelen bij conventionele supergeleiding, en er zijn aanwijzingen dat ze ook op een andere manier betrokken kunnen zijn bij onconventionele supergeleiding die optreedt bij veel warmere temperaturen in materialen als de cupraten, al is dat niet definitief bewezen.

De wetenschappers zeiden dat het waarschijnlijk is dat deze sterke aantrekkingskracht tussen elektronen tussen elektronen in alle cuprates bestaat en zou kunnen helpen bij het begrijpen van supergeleiding in de 2D-versies van het Hubbard-model en zijn verwanten, wetenschappers een completer beeld geven van deze raadselachtige materialen.