“Ladingsdichtheidsgolf” geassocieerd met atomaire vervormingen in zogenaamde supergeleiders

Wat zorgt ervoor dat sommige materialen stroom geleiden zonder weerstand? Wetenschappers proberen de complexe kenmerken te ontrafelen. Het benutten van deze eigenschap, bekend als supergeleiding, zou kunnen leiden tot perfect efficiënte elektriciteitsleidingen, ultrasnelle computers en tal van energiebesparende ontwikkelingen. Deze materialen begrijpen wanneer ze is niet Supergeleiding is een belangrijk onderdeel van de zoektocht om dit potentieel te ontsluiten.

“Om het probleem op te lossen, moeten we de vele fasen van deze materialen begrijpen”, zegt Kazuhiro Fujita, een natuurkundige bij de afdeling Condensed Matter Physics and Materials Science van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy. In een nieuwe studie die zojuist is gepubliceerd in Fysieke beoordeling XFujita en collega’s probeerden een verklaring te vinden voor een eigenaardigheid die werd waargenomen in een fase die naast de supergeleidende fase van een koperoxidesupergeleider bestond.

De anomalie was een mysterieuze verdwijning van trillingsenergie uit de atomen waaruit het kristallijne rooster van het materiaal bestaat. “Röntgenstralen laten zien dat atomen op bepaalde manieren trillen”, zei Fujita. Maar naarmate het materiaal afkoelt, toonden de röntgenonderzoeken aan, stopt één trillingsmodus.

“Onze studie onderzocht de relatie tussen de roosterstructuur en de elektronische structuur van dit materiaal om te zien of we konden achterhalen wat er aan de hand was,” zei Fujita.

Het Brookhaven-team gebruikte een tool genaamd een scanning spectroscopic imaging microscope (SI-STM). Door het oppervlak van het gelegde materiaal te scannen met biljoenenMet een nauwkeurigheid van één meter konden ze de atomen in kaart brengen en de afstanden ertussen meten – terwijl ze tegelijkertijd de elektrische lading op elke locatie op atomaire schaal meten.

De metingen waren gevoelig genoeg om de gemiddelde posities van de proefpersonen op te pikken wanneer ze trilden – en lieten zien hoe die posities verschoven en op hun plaats vergrendeld toen de trillingen stopten. Ze toonden ook aan dat de abnormale trillingsuitdoving rechtstreeks verband hield met het verschijnen van een “ladingsdichtheidsgolf” – ​​een modulaire verdeling van ladingsdichtheid in het materiaal.

De elektronen waaruit de ladingsdichtheidsgolf bestaat, zijn gelokaliseerd, dat wil zeggen in vaste posities – en gescheiden van de meer mobiele elektronen die uiteindelijk de stroom in de supergeleidende fase voeren, legde Fujita uit. Deze gelokaliseerde elektronen vormen een zich herhalend patroon van hogere en lagere dichtheden dat kan worden gevisualiseerd als zij-aan-zij ladders (zie diagram). Het is de verschijning van dit patroon dat de normale vibraties van individuen vervormt en hun posities verschuift in de richting van de “trap”.

“Naarmate de temperatuur daalt en de ladingsdichtheidsgolf (CDW) tevoorschijn komt, neemt de trillingsenergie af”, zei Fujita. “Door tegelijkertijd de ladingsverdeling en atomaire structuur te meten, kun je zien hoe het uiterlijk van CDW de atomen op hun plaats vergrendelt.”

“Dit resultaat houdt in dat terwijl de atomen trillen, de ladingsdichtheidsgolf in wisselwerking staat met het rooster en het rooster uitdooft. Het stopt ze met trillen en vervormt het rooster, ” zei Fujita.

Dit is dus een andere indicatie van hoe twee van de kenmerken van een fase van een supergeleidend materiaal zijn verbonden. Maar er valt nog veel te ontdekken over deze veelbelovende materialen, zei Fujita.

“Er zijn veel variabelen. Elektronen en rooster zijn er slechts twee. We moeten ze allemaal in aanmerking nemen en hoe ze met elkaar omgaan om deze materialen echt te begrijpen, ” zei hij.