Wanneer sommige materialen tot een bepaalde temperatuur worden afgekoeld, verliezen ze elektrische weerstand en worden ze supergeleiders.

In deze toestand kan een elektrische lading voor onbepaalde tijd door het materiaal stromen, waardoor supergeleiders een waardevolle hulpbron zijn voor het verzenden van grote hoeveelheden elektriciteit en andere toepassingen. Supergeleiders vervoeren elektriciteit tussen Long Island en Manhattan. Ze worden gebruikt in medische beeldvormingsapparatuur zoals MRI-machines, in deeltjesversnellers en in magneten zoals die worden gebruikt in magneetzweeftreinen. Zelfs onverwachte materialen, zoals bepaalde keramische materialen, kunnen bij voldoende afkoeling supergeleiders worden.

Maar wetenschappers hebben voorheen niet begrepen wat er in een materiaal gebeurt om er een supergeleider van te maken. In het bijzonder, hoe supergeleiding bij hoge temperaturen, die voorkomt in sommige koperoxidematerialen, werkt, is niet eerder begrepen. Een theorie uit 1966 die een ander type supergeleiders onderzocht, stelde dat elektronen die in tegengestelde richtingen ronddraaien, zich aan elkaar binden om een ​​zogenaamd Cooper-paar te vormen en elektrische stroom vrijelijk door het materiaal te laten gaan.

Een paar door de Universiteit van Michigan geleide onderzoeken onderzochten hoe supergeleiding werkt en vonden in het eerste artikel dat ongeveer 50% van de supergeleiding kan worden toegeschreven aan de theorie uit 1966, maar de realiteit, onderzocht in het tweede artikel, is een beetje meer ingewikkeld. De studies, geleid door de recent afgestudeerde U-M-doctoraat Xinyang Dong en U-M-natuurkundige Emanuel Gull, zijn gepubliceerd inNature Physics en de Procedures van de National Academy of Science.

Elektronen die in een kristal drijven, hebben iets nodig om ze samen te binden, zei Gull. Zodra je twee elektronen aan elkaar hebt gebonden, bouwen ze een supergeleidende toestand op. Maar wat verbindt deze elektronen met elkaar? Elektronen stoten elkaar meestal af, maar de theorie uit 1966 suggereerde dat in een kristal met sterke kwantumeffecten de elektron-elektronafstoting wordt afgeschermd of geabsorbeerd door de kristallen.

Terwijl de elektronenafstoting door het kristal wordt geabsorbeerd, komt er een tegengestelde aantrekkingskracht voort uit de draaiende eigenschappen van de elektronen - en zorgt ervoor dat de elektronen zich binden in Cooper-paren. Dit ligt ten grondslag aan het gebrek aan elektronische weerstand. De theorie houdt echter geen rekening met complexe kwantumeffecten in deze kristallen.

"Dat is een heel eenvoudige theorie en, weet je, het bestaat al heel lang. Het was eigenlijk de theoretische boodschap van de jaren tachtig, negentig en 2000", zei Gull. "Je zou deze theorieën kunnen opschrijven, maar je zou niet echt iets kunnen berekenen - als je zou willen, zou je kwantumsystemen moeten oplossen met veel vrijheidsgraden. En nu schreef mijn afgestudeerde student codes die precies dat doen."

Voor het artikel gepubliceerd inNature Physics , onderzocht Dong deze theorie door supercomputers te gebruiken om de zogenaamde dynamische clustermethode toe te passen op een op koperoxide gebaseerde supergeleider. Bij deze methode worden de elektronen en hun spinfluctuaties samen berekend, waardoor de onderzoekers een kwantitatieve analyse kunnen maken van de interacties tussen de elektronen en hun spin.

Om dit te doen, tuurde Dong in de gebieden waar het materiaal een supergeleider wordt, en onderzocht hij de belangrijkste hoeveelheid spinfluctuatie, de magnetische spingevoeligheid. Ze berekende de gevoeligheid en berekende de regio en analyseerde samen met Gull en Andrew Mills, een natuurkundige aan de Columbia University, de regio.

Met deze spingevoeligheid konden de onderzoekers de voorspelling van de eenvoudige spin-fluctuatietheorie controleren. Ze ontdekten dat deze theorie consistent was met supergeleidingsactiviteit - tot ongeveer 50%. Dat wil zeggen, ongeveer de helft van de supergeleiding van een materiaal kan worden verklaard met behulp van de fluctuatietheorie.

"Dat is een groot resultaat, want aan de ene kant hebben we aangetoond dat deze theorie werkt, maar ook dat het niet echt alles vastlegt wat er gebeurt," zei Gull. "De vraag is natuurlijk wat er met de andere helft gebeurt, en dit is de plek waar het theoretische kader van de jaren zestig te simpel was."

In een paper gepubliceerd in PNAS , Gull en Dong verkenden die andere helft. Ze keerden terug om de elektronensystemen te onderzoeken in een vereenvoudigd model van een supergeleidend kristal. In dit koperoxidekristal zitten lagen koper-zuurstofbindingen. De koperatomen bouwen een vierkant rooster en in deze configuratie mist elk atoom een ​​enkel elektron.

Wanneer natuurkundigen een element zoals strontium, dat een elektron zal delen met de koper-zuurstoflaag, aan het materiaal toevoegen, wordt het materiaal een geleider. In dit geval wordt strontium een ​​doteringsatoom genoemd. In eerste instantie geldt:hoe meer ladingsdragers je toevoegt, hoe supergeleidend het materiaal wordt. Maar als u te veel ladingdragers toevoegt, verdwijnt de supergeleidende eigenschap.

Gull en zijn co-auteurs tuurden in dit materiaal en onderzochten niet alleen de spin van de elektronen, maar ook hun ladingsfluctuaties.

Gull zegt dat de fluctuaties die handig zijn om het systeem te begrijpen op twee manieren verschijnen:de eerste is dat het signaal zich op een enkel momentumpunt bevindt en ten tweede dat het signaal een lage frequentie heeft. Een enkelvoudige laagfrequente excitatie betekent dat er een langdurige excitatie is die de onderzoekers helpt het systeem te zien en te beschrijven.

De onderzoekers ontdekten dat antiferromagnetische fluctuaties - wanneer elektronen in de tegenovergestelde richting draaien - verantwoordelijk zijn voor het grootste deel van de supergeleiding. Ze zagen echter ook ferromagnetische fluctuaties die de antiferromagnetische fluctuaties tegengingen, waardoor ze uiteindelijk terugkwamen op de 50%-bevinding.

"Als je een gecompliceerd veel-elektronensysteem hebt met veel kwantumdeeltjes, is er geen reden waarom er een eenvoudig beeld zou moeten zijn dat alles verklaart," zei Gull. "In feite ontdekken we verrassend genoeg dat een scenario zoals de theorie uit 1966 heel wat dingen vastlegt, maar niet alles."

Gull zegt dat de volgende stappen zullen zijn om te zien of hun bevindingen kunnen helpen bij het voorspellen van bepaalde soorten spectra, of het gereflecteerde licht, dat betrokken is bij supergeleiders. Hij hoopt ook dat de resultaten natuurkundigen in staat zullen stellen te begrijpen hoe supergeleiders werken en met deze kennis betere supergeleiders kunnen ontwerpen. + Verder verkennen

Studie identificeert mechanisme dat elektronenparen bij elkaar houdt in onconventionele supergeleiders