Waarom voeren sommige materialen alleen elektrische stroom zonder enige weerstand wanneer ze worden afgekoeld tot bijna het absolute nulpunt, terwijl andere dat doen bij relatief hoge temperaturen? Deze kernvraag blijft wetenschappers die het fenomeen supergeleiding bestuderen, lastig vallen. Nu heeft een team van onderzoekers van Andrea Cavalleri's groep aan het Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter (MPSD) in Hamburg bewijs geleverd dat elektronen "strepen" in bepaalde op koper gebaseerde verbindingen kunnen leiden tot een breuk in de kristalsymmetrie van het materiaal , die zelfs in hun supergeleidende toestand aanhoudt. Hun werk is gepubliceerd in PNAS .

Het team richtte zich op een reeks cuprates en onderzocht de coëxistentie en competitie van hun supergeleidende toestand met andere kwantumfasen. Dergelijke interacties worden verondersteld cruciaal te zijn voor de ontwikkeling van supergeleiding bij hoge temperatuur - een proces dat vandaag de dag nog steeds een van de belangrijkste onopgeloste problemen in de fysica van de gecondenseerde materie is.

De onderzoekers stelden verschillende cupraatkristallen, gekweekt en gekarakteriseerd in Brookhaven National Labs, bloot aan ultrakorte laserlichtpulsen. Ze observeerden hoe de materialen een bepaald type terahertz (THz) licht begonnen uit te zenden - een techniek die bekend staat als THz-emissiespectroscopie.

Gewoonlijk vinden dergelijke emissies alleen plaats in aanwezigheid van een magnetisch veld of polariserende stroom. Het MPSD-team onderzocht echter de cuprates zonder enige externe vooringenomenheid toe te passen en ontdekte in sommige van hen "abnormale" THz-emissie. Die verbindingen hadden de zogenaamde ladingsstreepvolgorde - waarbij de elektronen zichzelf rangschikken in kettingpatronen in plaats van vrij rond te bewegen. De volgorde van de ladingsstreepjes lijkt de kristalsymmetrie van het materiaal te doorbreken, net zoals een magnetisch veld of een aangelegde stroom zou doen, waarbij deze symmetriebreking aanhoudt in de supergeleidende toestand.

"Door experimenten uit te voeren op verschillende verbindingen", zegt Daniele Nicoletti, de hoofdauteur van het artikel, "waren we zeer verrast om duidelijke coherente en bijna eenkleurige THz-emissie te vinden in sommige supergeleiders en, omgekeerd, een totaal gebrek aan respons in andere. waren in staat om THz-emissiekenmerken met redelijke zekerheid te associëren met de aanwezigheid van ladingsstreepvolgorde, een eigenaardige geordende fase die wordt aangetroffen in verschillende families van cupraten, waarvan wordt aangenomen dat het een rol speelt in het mechanisme dat ten grondslag ligt aan supergeleiding bij hoge temperaturen. om een ​​symmetriebreking in de supergeleider te veroorzaken, waarvan de aanwezigheid in het verleden niet was gevonden door andere experimentele technieken."

In samenwerking met natuurkundigen van Harvard University, ETH Zürich en de theoretische afdeling van de MPSD heeft het team een ​​gedetailleerde verklaring gegeven voor deze fenomenologie. Uitgaande van de waarneming dat de coherente THz-emissie zeer dicht bij de "Josephson-plasmafrequentie" optreedt, wat de resonante tunnelfrequentie is van supergeleidende elektronenparen over de kristallijne koper-zuurstofvlakken, identificeerden de onderzoekers zogenaamde "oppervlakte Josephson-plasmonen" als de emissiebron. Dit zijn analogen van geluidsgolven die zich ontwikkelen op het grensvlak tussen de supergeleider en de externe omgeving. In principe zijn dit "stille" modi, wat betekent dat ze niet direct koppelen met licht en daarom naar verwachting niet zullen uitstralen. Het is echter juist de aanwezigheid van de door stripe order geïntroduceerde ladingsmodulatie die voor de nodige koppeling met de buitenwereld zorgt en ervoor zorgt dat deze modi oplichten.

Het werk van het team biedt belangrijke nieuwe inzichten in de processen die leiden tot supergeleiding bij hoge temperaturen. Het onthult ook coherente afwijkende THz-emissie als een gevoelig hulpmiddel om de symmetrie van supergeleiders in de aanwezigheid van andere fasen te onderzoeken. De onderzoekers vinden dat het in de toekomst moet worden toegepast op een bredere klasse van verbindingen, waardoor nieuwe mogelijkheden ontstaan ​​om de fysica van complexe interacties in deze materialen te begrijpen. + Verder verkennen

Nieuw inzicht in onconventionele supergeleiding