Supraledares varierande laddningsdensitet får ny förklaring

Forskare från Chalmers och Politecnico di Milano har identifierat en avgörande ny aspekt av den varierande laddningsdensiteten hos högtemperatursupraledare. De har upptäckt en ny typ av elektronvåg som kan hjälpa till att förklara några av mysterierna kring den vanligaste gruppen av högtemperatursupraledande material. Resultaten har publicerats i den vetenskapliga tidskriften Science.

Högtemperatursupraledare har modulerande laddningsdensitet, vilket betyder att deras elektriska laddning varierar och är ojämnt fördelad. Detta beror delvis på en typ av modulation som upptäcktes för några år sedan – så kallade laddningsdensitetsvågor. Men denna modulation har bara observerats sporadiskt, under vissa förutsättningar. Därför har man trott att den inte är en bidragande orsak till supraledning.

Nu har forskarna upptäckt ytterligare en aspekt när det gäller den varierande laddningsdensiteten. De kallar den för laddningsdensitetsfluktuationer. De har identifierats som ännu en elektronmodulation, som är samlad och fluktuerande, med kortare så kallad korrelationslängd. De är mycket allmängiltiga jämfört med de konventionella laddningsdensitetsvågorna: de förekommer vid ett betydligt större temperaturomfång – upp till högre än rumstemperatur – och vid olika nivåer av syredopning.

– Högtemperatursupraledare uppvisar mycket säregna egenskaper i rumstemperatur, vilket är en utmaning när det gäller vår allmänna förståelse för laddningstransport i metaller, säger chalmersforskaren Riccardo Arpaia på institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap, som har utfört experimenten. Laddningsdensitetsfluktuationerna kan vara en avgörande orsak till dessa egenskaper.

– Man kan säga att laddningsdensitetsvågorna, som är välkända sedan tidigare, bara utgör toppen av isberget. Laddningsdensitetsfluktuationerna som vi nu har identifierat är som den större osynliga delen av isberget. Upptäckten blev möjlig tack vare de stora framstegen som har gjorts inom synkrotronröntgen, och kvalitén hos proverna som vi har använt.

Proverna tillverkades av The Italian National Research Council (CNR) och av en forskargrupp på Chalmers som leds av professor Floriana Lombardi.

Ett annat fynd i studien gäller hur laddningsdensitetsfluktuationerna påverkas av materialets temperatur. De tidigare kända laddningsdensitetsvågorna ändras tvärt så fort materialet uppnår den kritiska temperatur där det går in i sitt supraledande tillstånd. De nyupptäckta laddningsdensitetsfluktuationerna påverkas däremot inte av supraledning. Detta indikerar att de två egenskaperna inte ”konkurrerar” med varandra. Fyndet stärker forskarnas teori om att laddningsdensitetsfluktuationerna är nyckeln för att kunna förklara de supraledande materialens besynnerliga egenskaper.

Eftersom supraledare kräver så låga temperaturer måste de kylas med flytande helium eller flytande kväve, vilket gör dem dyra och svåra att använda på bred front. En supraledare som fungerade närmare rumstemperatur skulle ha enorm potential. Intresset är därför stort för en förbättrad förståelse av hur den aktuella typen av supraledare fungerar.

– Laddningsdensitetsvågor observerades för första gånger 2012 i materialgruppen kuprater, säger Giacomo Ghiringhelli, fysikprofessor på Politecnico di Milano. Deras betydelse har inte ifrågasatts sedan dess, men deras roll har förblivit oklar. De nyupptäckta laddningsdensitetsfluktuationerna verkar vara en mycket generell egenskap hos kuprater, vilket betyder att de antagligen spelar en avgörande roll för materialens strömledningsförmåga.

Läs artikeln Dynamical charge density fluctuations pervading the phase diagram of a Cu-based high-Tc superconductor i tidskriften Science.

Mer om: Supraledande material

Supraledare är material som plötsligt uppvisar häpnadsväckande nya egenskaper när de utsätts för en viss temperatur, som kallas för den kritiska temperaturen. Den viktigaste är att de då kan leda ström helt utan resistans.
De flesta kommersiella supraledarna är så kallade lågtemperatursupraledare, som kräver en temperatur under -240 grader Celsius. Högtemperatursupraledare fungerar i något högre temperaturer, men behöver ändå runt 200 minusgrader. Den vanligaste typen kallas för kuprater, och består av en blandning av koppar och syre. Det var denna grupp av supraledare som forskarna undersökte i studien.

Mer om: Forskningen

Riccardo Arpaia, artikelns försteförfattare, är forskare på Chalmers. Genom Vetenskapsrådets internationella postdok-program forskar han också på Politecnico di Milano, i en grupp ledd av professor Giacomo Ghiringhelli, som designade experimenten.

Chalmers och Politecnico di Milano är båda medlemmar i Idea League, en sammanslutning av fem ledande europeiska tekniska universitet, med syftet att främja europeisk forskning inom naturvetenskap och teknik genom att dela akademiska resurser och kunskap.

Experimenten utfördes på European Synchrotron Radiation Facility i Grenoble, i samarbete med forskare på Italian National Research Council (CNR) och på Sapienza University of Rome.

Kontakt:

Riccardo Arpaia, Postdoc, Mikroteknologi och Nanovetenskap, Kvantkomponentfysik
riccardo.arpaia@chalmers.se
+46 31 772 18 69

Taggar: