Supergeleiders bij kamertemperatuur kunnen alles transformeren, van elektriciteitsnetten tot deeltjesversnellers tot computers, maar onderzoekers proberen nog steeds te begrijpen hoe deze materialen op atomair niveau functioneren.

Onlangs was NC State-fysicus Lex Kemper lid van een internationaal team dat een artikel publiceerde in Science over de unieke eigenschappen van een materiaal genaamd yttrium barium koperoxide, of YBCO.

Het team ontdekte dat de supergeleiding van YBCO op onverwachte manieren verweven is met een ander fenomeen dat bekend staat als ladingsdichtheidsgolven (CDW's), of rimpelingen in de dichtheid van elektronen in het materiaal. Deze CDW's worden sterker wanneer de supergeleiding van YBCO wordt uitgeschakeld. Ze waren echter verrast toen ze ontdekten dat de CDW's plotseling ook meer ruimtelijk georganiseerd werden, wat suggereert dat supergeleiding op de een of andere manier de vorm van de CDW's op nanoschaal fundamenteel vormt.

Dus wat betekent dit? The Abstract vroeg Kemper om zijn inzichten te delen.

TA:De zoektocht naar supergeleiders bij kamertemperatuur kan veel industrieën transformeren. In dit artikel heb je gekeken naar het verband tussen supergeleiding en ladingsdichtheidsgolven in een materiaal genaamd YBCO. Laten we beginnen met enkele basisdefinities:wat geeft een materiële supergeleiding?

Kemper:Dit is een heel goede vraag. We weten uit de BCS-theorie dat supergeleiding kan optreden omdat twee elektronen indirect kunnen interageren via roostertrillingen, een soort kracht. Ze vormen een gebonden paar dat een Cooper-paar wordt genoemd, en wanneer alle relevante elektronen in het materiaal dat doen, krijg je een toestand die supergeleiding wordt genoemd. Nu is deze theorie niet direct van toepassing op YBCO - en dit heeft geleid tot tientallen jaren van onderzoek om erachter te komen wat er in deze materialen aan de hand is. Momenteel denken we dat de bindende kracht wordt geleverd door magnetische fluctuaties in het materiaal, in plaats van roostertrillingen.

TA:Wat is een ladingsdichtheidsgolf?

Kemper:Stel je voor dat je een rij mensen hebt, allemaal op gelijke afstand van elkaar - dat is je startstructuur. Laat nu elke set van twee mensen paren en iets dichter bij elkaar gaan staan ​​- dat is de gemakkelijkste manier om een ​​ladingsdichtheidsgolf te zien. In wezen is het een extra patroon bovenop het patroon dat al bestond. In YBCO denken we dat deze extra patroonvorming optreedt doordat de elektronen alleen werken, in plaats van dat de atomen erbij betrokken zijn.

TA:Toen je laserpulsen gebruikte om de supergeleiding in de YBCO 'uit te schakelen', merkte je dat de ladingsdichtheidsgolven zowel sterker als meer georganiseerd werden, wat betekent dat supergeleiding en ladingsdichtheidsgolven op de nanoschaal op de een of andere manier met elkaar verbonden zijn. Wat betekent dit?

Kemper:Wat deze studie aantoonde, is niet zozeer een weg vooruit naar het vinden of maken van supergeleiders voor hoge temperaturen; het is eerder een stap in het begrijpen van de fundamentele fysica die in het spel is. We ontdekten dat het onderdrukken van supergeleiding ervoor zorgt dat de ladingsdichtheidsgolven hun patroon behouden over veel langere lengteschalen - wat aangeeft dat ze concurreren, maar op een gestructureerde manier op nanoschaal. Dit werpt een nieuw licht op het probleem van de naast elkaar bestaande/verstrengelde orde die we in deze materialen zien.

TA:Waarom wordt deze met elkaar verweven orde beschouwd als een 'probleem' of iets dat we verder moeten bestuderen? Begrijpen we gewoon niet waarom/hoe het gebeurt? Belemmert het ons vermogen om bepaalde eigenschappen van het materiaal te benutten?

Kemper:Kortom, we hebben geen goed begrip van waarom dit materiaal supergeleidend is, waarom het een ladingsdichtheidsgolf vertoont, laat staan ​​de combinatie van die twee! Een goede manier om iets in de natuurkunde te begrijpen, is door het een beetje te verstoren en te kijken hoe het reageert (zo werken bijna alle experimenten, en ook hoe veel eigenschappen van materialen ontstaan). In dit geval verstoorden we met een ultrasnelle laserpuls en observeerden we de resulterende dynamiek - die ons iets nieuws vertelde dat we niet eerder wisten. In dit geval onthulde het het bestaan ​​van een soort patroonvorming op nanoschaal en sloot het verschillende andere (al dan niet op nanoschaal) patroonvormingsopties uit.

TA:Wat zijn de volgende stappen met dit werk?

Kemper:De volgende stappen zijn om het experiment en de theorie te verfijnen en te proberen nieuwe manieren te bedenken om naar dit probleem te kijken. Meer in het algemeen hopen we dat het veld dit werk opneemt in hoe ze denken over de fundamentele fysica van ladingsdichtheidsgolven en supergeleiding in deze materialen.

TA:Denk je dat we in de nabije toekomst bruikbare supergeleiders op kamertemperatuur zullen bereiken?

Kemper:Dit is een heel goede vraag. Ik hoop het. Wat ik verwacht is dat als het gebeurt, het uit een onverwachte hoek komt van de enorme oceaan van mogelijkheden die we nog niet hebben verkend. + Verder verkennen

Samenwerking onthult wisselwerking tussen ladingsvolgorde en supergeleiding op nanoschaal