След 15 години изследвания, учените разкриват четвъртия подпис на свръхпроводящите преходи


Представяне на художника Преход към свръхпроводник

Художествена интерпретация на свръхпроводниковия преход. Кредит: SLAC National Accelerator Laboratory

Резултатите ограничават 15 години детективска работа, насочена към разбиране как тези материали преминават в свръхпроводящо състояние, където могат да провеждат електричество без загуба.

Изследователите бяха във възторг преди 35 години, когато беше открит нов и вълнуващ клас свръхпроводящи материали.

Тези медни оксиди или купрати, подобно на други свръхпроводници, провеждат електричество без съпротивление или загуба, когато са охладени под определен градус – но при значително по-високи температури, отколкото учените са очаквали. Това увеличи възможността те да работят при температури, близки до стайна температура за идеално ефективни електропроводи и други приложения.

Изследванията бързо потвърдиха, че те демонстрират две допълнителни класически характеристики на прехода към свръхпроводящо състояние. Материалът изхвърля магнитни полета при възникване на свръхпроводимост, което позволява на магнит, поставен върху парче от материала, да виси над повърхността. И по време на прехода, техният топлинен капацитет – количеството топлина, необходимо за повишаване на температурата им с определено количество – показва забележима аномалия.

Но въпреки десетилетия усилия с различни експериментални инструменти, четвъртият подпис, който може да се види само в микроскопичен мащаб, остана неуловим: начинът, по който електроните се сдвояват и кондензират в нещо като електронна супа, докато материалът преминава от нормалното си състояние до свръхпроводящо състояние.

Сега изследователски екип в Министерството на енергетиката SLAC Национална ускорителна лаборатория и Станфордския университет най-накрая разкри, че четвъртият подпис с прецизни измервания с висока разделителна способност, направени с фотоемисионна спектроскопия с ъглова разделителна способност или ARPES, която използва светлина за изхвърляне на електрони от материала. Измерването на енергията и импулса на тези изхвърлени електрони разкрива как се държат електроните вътре в материала.

Четири класически подписи за свръхпроводник SLAC

Как можете да разберете дали даден материал е свръхпроводник? Тук са илюстрирани четири класически подписа. Отляво надясно: 1) Той провежда електричество без съпротивление, когато е охладен под определена температура. 2) Изхвърля магнитни полета, така че магнит, поставен върху него, ще левитира. 3) Неговият топлинен капацитет – количеството топлина, необходимо за повишаване на температурата му с определено количество – показва отличителна аномалия, когато материалът преминава в свръхпроводящо състояние. 4) И в същата преходна точка, нейните електрони се сдвояват и кондензират в нещо като електронна супа, която позволява на тока да тече свободно. Сега експериментите в SLAC и Станфорд са уловили този четвърти подпис в купратите, които стават свръхпроводящи при относително високи температури, и показват, че това се случва в две различни стъпки и при много различни температури. Познаването как това се случва с фини детайли предполага нова и много практична посока за изследване на тези загадъчни материали. Кредит: Грег Стюарт, SLAC National Accelerator Laboratory

В статия, публикувана наскоро в природатаекипът потвърди, че купратният материал, който са изследвали, известен като Bi2212, е направил прехода към свръхпроводящо състояние в две различни стъпки и при много различни температури.

„Сега знаем какво се случва при свръхпроводящия преход с много фини детайли и можем да помислим как да направим това при по-високи температури“, каза Суди Чен, който ръководи изследването, докато е докторант в Станфорд. “Това е много практична посока.”

Професор от Станфорд Zhi-Xun Shen, изследовател от Станфордския институт за материали и енергийни науки (SIMES) в SLAC, който ръководи изследването, каза: „Това е кулминацията на 15-годишната научна детективска работа в опитите си да разберем електронната структура на тези материали и осигурява липсващата връзка за цялостна картина на неконвенционалната свръхпроводимост. Знаехме, че тези материали трябва да произвеждат отличителни спектроскопични сигнатури, докато сдвоените електрони се сливат в квантов кондензат; удивителното е, че отне толкова време, за да го намеря.”

Неконвенционални преходи

В конвенционалните свръхпроводници, които са открити през 1911 г., електроните преодоляват взаимното си отблъскване и образуват така наречените купърови двойки, които незабавно кондензират в нещо като електронна супа, която позволява на електрическия ток да се движи безпрепятствено.

Но в нетрадиционните купрати учените спекулират, че електроните се сдвояват при една температура, но не кондензират, докато не се охладят до значително по-ниска температура; само в този момент материалът става свръхпроводящ.

Докато детайлите на този преход бяха изследвани с други методи, досега това не беше потвърдено с микроскопични сонди като фотоемисионна спектроскопия, които изучават как материята абсорбира светлина и излъчва електрони. Това е важна независима мярка за това как се държат електроните в материала.

Шен започва научната си кариера в Станфорд точно когато откриването на новите купратни свръхпроводници излизаше наяве, и той е посветил повече от три десетилетия на разкриването на техните тайни и подобряването на фотоемисионната спектроскопия като инструмент за това.

За това проучване пробите от купрат, направени от сътрудници в Япония, бяха изследвани в две установки на ARPES – едната в лабораторията на Шен в Станфорд, оборудвана с ултравиолетов лазер, а другата в Станфордския синхротронен радиационен източник на светлина (SSRL) с помощта на учени от SLAC и дългогодишни сътрудници Макото Хашимото и Донгхуи Лу.

Станфордска синхротронна радиация Lightsource Beamline SLAC

Професор от Станфорд Джи-Сун Шен (в центъра) и учените от SLAC Макото Хашимото (вляво) и Донгхуи Лу се виждат в началото на 2020 г. на линия на лъча на Станфордския синхротронно излъчване на светлинен източник в SLAC. Експерименти тук и в Станфорд, водени от докторантката в Станфорд Суди Чен (не е на снимката), разкриха дълго търсения четвърти подпис на свръхпроводящия преход – точката, в която двойки електрони започват да провеждат електричество без загуба – в купратен материал. Кредит: Жаклин Рамзиер Орел/Национална ускорителна лаборатория SLAC

Белене на физически лук

„Последните подобрения в цялостната производителност на тези инструменти бяха важен фактор за получаването на тези висококачествени резултати“, каза Хашимото. „Те ни позволиха да измерваме енергията на изхвърлените електрони с по-голяма прецизност, стабилност и последователност.

Лу добави: „Много е предизвикателство да се получи пълно разбиране на физиката на високотемпературната свръхпроводимост. Експерименталистите използват различни инструменти, за да изследват различни аспекти на този труден проблем и това дава по-задълбочени прозрения.”

Шен каза, че дългосрочното изследване на тези неконвенционални материали е било като белене на слоеве от лук, за да се разкрие изненадващата и интересна физика вътре. Сега, каза той, потвърждавайки, че преходът към свръхпроводимост се случва в две отделни стъпки, „ни дава две копчета, които можем да настроим, за да накараме материалите да бъдат свръхпроводими при по-високи температури“.

Суди Чен сега е постдокторант в Калифорнийския университет, Бъркли. Изследователи от Националния институт за напреднали индустриални науки и технологии в Япония, Лоренц институт за теоретична физика към университета в Лайден в Холандия и DOE’s Национална лаборатория Лорънс Бъркли също допринесе за тази работа, която беше финансирана от Службата за наука на DOE. SSRL е съоръжение за потребители на DOE Office of Science.

Справка: „Неконвенционален спектрален подпис на T° С в чист свръхпроводник с d-вълна” от Су-Ди Чен, Макото Хашимото, Ю Хе, Dongjoon Song, Jun-Feng He, Ying-Fei Li, Shigeyuki Ishida, Hiroshi Eisaki, Jan Zaanen, Thomas P. Devereaux, Dung-Hai Лий, Dong-Hui Lu и Zhi-Xun Shen, 26 януари 2022 г., природата.
DOI: 10.1038 / s41586-021-04251-2