Een recente studie gepubliceerd in Nature Communications door onderzoekers van Politecnico di Milano, Chalmers University of Technology in Göteborg en Sapienza University of Rome werpt licht op een van de vele mysteries van op koper gebaseerde supergeleiders met hoge temperaturen. Zelfs bij temperaturen boven de kritische temperatuur zijn ze bijzonder en gedragen ze zich als ‘vreemde’ metalen. Dit betekent dat hun elektrische weerstand met de temperatuur anders verandert dan die van normale metalen.

Het onderzoek duidt op het bestaan ​​van een kwantumkritisch punt dat verband houdt met de fase die 'vreemd metaal' wordt genoemd. De ontdekking is een belangrijke stap voorwaarts in het onderzoek naar supergeleiding en kan de weg vrijmaken voor duurzame technologieën en bijdragen aan een milieuvriendelijkere toekomst.

“Een kwantumkritisch punt identificeert specifieke omstandigheden waarin een materiaal een plotselinge verandering in zijn eigenschappen ondergaat, uitsluitend als gevolg van kwantumeffecten. Net zoals ijs smelt en vloeibaar wordt bij 0°C als gevolg van microscopische temperatuureffecten, veranderen cupraat in een ‘vreemd’ metaal omdat van kwantumladingsfluctuaties", zegt Riccardo Arpaia, onderzoeker bij de afdeling Microtechnologie en Nanowetenschappen van Chalmers en hoofdauteur van het onderzoek.

Het onderzoek is gebaseerd op röntgenverstrooiingsexperimenten uitgevoerd bij het Europese Synchrotron ESRF en bij het Britse synchrotron DLS. Ze onthullen het bestaan ​​van schommelingen in de ladingsdichtheid die de elektrische weerstand van cupraten zodanig beïnvloeden dat ze ‘vreemd’ worden. Door systematisch te meten hoe de energie van deze fluctuaties varieert, kon de waarde van de ladingsdragerdichtheid worden geïdentificeerd waarbij deze energie minimaal is:het kwantumkritische punt.

"Dit is het resultaat van meer dan vijf jaar werk. We gebruikten een techniek, genaamd RIXS, grotendeels ontwikkeld door ons aan de Politecnico di Milano. Dankzij talrijke meetcampagnes en nieuwe data-analysemethoden konden we het bestaan ​​bewijzen Een beter begrip van cuprates zal leidend zijn bij het ontwerp van nog betere materialen, met hogere kritische temperaturen, en daarom gemakkelijker te exploiteren in de technologieën van morgen”, voegt Giacomo Ghiringhelli toe, hoogleraar aan de afdeling Natuurkunde van de Politecnico di Milano en coördinator van het onderzoek.

Sergio Caprara heeft samen met zijn collega's van de afdeling natuurkunde van de Sapienza Universiteit van Rome de theorie bedacht die ladingsfluctuaties een sleutelrol in cuprates toekent. Hij zegt:"Deze ontdekking vertegenwoordigt een belangrijke vooruitgang in het begrijpen van niet alleen de abnormale eigenschappen van de metallische toestand van cupraten, maar ook de nog steeds obscure mechanismen die ten grondslag liggen aan supergeleiding bij hoge temperaturen."

Meer informatie: Riccardo Arpaia et al, Handtekening van kwantumkriticiteit in cuprates door fluctuaties in de ladingsdichtheid, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-42961-5

Journaalinformatie: Natuurcommunicatie

Aangeboden door Polytechnische Universiteit van Milaan