Теперь исследователи из U.S. Национальная лаборатория Лоуренса Беркли Министерства энергетики США (Berkeley Lab) раскрыла ключ к разгадке необычных свойств купратов – и ответ кроется в неожиданном источнике: вращении электрона. Их статья с описанием исследования, лежащего в основе этого открытия, была опубликована в декабре.
13 в журнале Science.
Добавление спина электрона к уравнению
Каждый электрон похож на крошечный магнит, указывающий в определенном направлении.
И электроны в большинстве сверхпроводниковых материалов, кажется, следуют своему внутреннему компасу. Вместо того, чтобы указывать в одном направлении, их электронные спины беспорядочно указывают в разные стороны – одни вверх, другие вниз, другие влево или вправо.
Когда ученые разрабатывают новые виды материалов, они обычно смотрят на спин электронов материалов или направление, в котором они указывают. Но когда дело доходит до создания сверхпроводников, физики конденсированного состояния традиционно не сосредотачиваются на спине, потому что традиционно считалось, что все свойства, делающие эти материалы уникальными, сформированы только тем способом, которым два электрона взаимодействуют друг с другом через так называемая "электронная корреляция"."
Но когда исследовательская группа под руководством Алессандры Ланзара, научного сотрудника отделения материаловедения лаборатории Беркли и профессора физики Чарльза Киттеля из Калифорнийского университета в Беркли, использовала уникальный детектор для измерения образцов экзотического сверхпроводника купрата, Bi-2212 (висмут-стронций-кальций). оксида меди) с помощью мощного метода под названием SARPES (фотоэмиссионная спектроскопия с разрешением по спину и углу) они обнаружили то, что противоречило всему, что они когда-либо знали о сверхпроводниках: отчетливую структуру электронных спинов внутри материала.
«Другими словами, мы обнаружили, что существует четко определенное направление, в котором каждый электрон указывал с учетом его импульса, свойство, также известное как синхронизация спина и импульса», – сказал Ланзара. «Обнаружение его в высокотемпературных сверхпроводниках было большим сюрпризом."
Новая карта высокотемпературных сверхпроводников
В мире сверхпроводников «высокая температура» означает, что материал может проводить электричество без сопротивления при температурах выше ожидаемых, но все же при очень низких температурах, намного ниже нуля градусов по Фаренгейту. Это потому, что сверхпроводники должны быть чрезвычайно холодными, чтобы проводить электричество без какого-либо сопротивления. При таких низких температурах электроны могут двигаться синхронно друг с другом и не сталкиваться с колебаниями атомов, вызывая электрическое сопротивление.
В этом особом классе высокотемпературных сверхпроводниковых материалов купраты являются одними из лучших, что заставляет некоторых исследователей полагать, что они могут быть использованы в качестве нового материала для создания сверхэффективных электрических проводов, которые могут передавать энергию без каких-либо потерь электронов. импульс, сказал со-ведущий автор Кеннет Готлиб, который был доктором.D. студент в лаборатории Ланзара во время открытия. Понимание того, что заставляет некоторые экзотические купратные сверхпроводники, такие как Bi-2212, работать при температурах до 133 Кельвина (около -220 градусов по Фаренгейту), может облегчить реализацию практического устройства.
По словам Готлиба, среди очень экзотических материалов, которые изучают физики конденсированного состояния, есть два вида электронных взаимодействий, которые приводят к новым свойствам новых материалов, включая сверхпроводники. Ученые, изучающие купратные сверхпроводники, сосредоточили внимание только на одном из этих взаимодействий: корреляции электронов.
Другой вид взаимодействия электронов, обнаруживаемый в экзотических материалах, – это «спин-орбитальная связь» – способ, которым магнитный момент электрона взаимодействует с атомами в материале.
Спин-орбитальной связью часто пренебрегали при исследованиях купратных сверхпроводников, потому что многие предполагали, что этот вид электронного взаимодействия будет слабым по сравнению с электронной корреляцией, сказал со-ведущий автор Чиу-Юн Линь, исследователь из отдела материаловедения лаборатории. и доктор.D. студентка факультета физики Калифорнийского университета в Беркли.
Поэтому, когда они обнаружили необычный характер вращения, Лин сказал, что, хотя они были приятно удивлены этим первоначальным открытием, они все еще не были уверены, было ли это «истинным» внутренним свойством материала Bi-2212 или внешним эффектом, вызванным как лазерный свет взаимодействует с материалом в эксперименте.
Освещение спина электронов с помощью SARPES
В течение почти трех лет Готлиб и Лин использовали детектор SARPES, чтобы тщательно составить карту вращения в лаборатории Ланзары. Когда им потребовались более высокие энергии фотонов для возбуждения более широкого диапазона электронов в образце, исследователи переместили детектор по соседству с синхротроном лаборатории Беркли, Advanced Light Source (ALS), U.S.
Отделение Министерства энергетики США для пользователей, специализирующееся на низкоэнергетическом "мягком" рентгеновском излучении для изучения свойств материалов.
Детектор SARPES был разработан Lanzara вместе с соавторами Захидом Хуссейном, бывшим заместителем отдела ALS, и Крисом Джозвиаком, штатным научным сотрудником ALS. Детектор позволил ученым исследовать ключевые электронные свойства электронов, такие как структура валентной зоны.
После десятков экспериментов в ALS, где группа исследователей подключила детектор SARPES к Beamline 10.0.1, чтобы они могли получить доступ к этому мощному свету, чтобы исследовать спин электронов, движущихся через сверхпроводник с гораздо более высоким импульсом, чем те, к которым они могли получить доступ в лаборатории, они обнаружили, что особый спиновый паттерн Bi-2212, называемый «ненулевым спином», был истинный результат, вдохновляющий задавать еще больше вопросов. «В области высокотемпературной сверхпроводимости остается много нерешенных вопросов, – сказал Линь. "Наша работа дает новые знания для лучшего понимания купратных сверхпроводников, которые могут стать строительным блоком для решения этих вопросов."
Ланзара добавил, что их открытие не могло бы произойти без совместной "научной команды" лаборатории Беркли, национальной лаборатории Министерства энергетики, имеющей исторические связи с близлежащим Калифорнийским университетом в Беркли. «Эта работа – типичный пример того, куда может пойти наука, когда люди, обладающие опытом в разных научных дисциплинах, объединяются, и как новые приборы могут раздвинуть границы науки», – сказала она.