Supraledares varierande laddningsdensitet får ny förklaring
En ny typ av elektronvåg kan hjälpa till att förklara några av mysterierna kring supraledare. Forskare från Chalmers och Politecnico di Milano har identifierat en avgörande aspekt hos den vanligaste gruppen av högtemperatursupraledande material, nämligen fluktuationer i den så kallade varierande laddningsdensiteten.
En supraledare är ett material som inte har någon mätbar resistans när man leder elektrisk ström genom det. För att kunna använda en supraledare i vardagens teknik, måste forskarna förstå supraledarens mycket speciella fysik.
Supraledare kräver dock 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 så kallade högtemperatursupraledare fungerar.
Supraledande material uppvisar häpnadsväckande nya egenskaper när de utsätts för en viss temperatur, som kallas för den kritiska temperaturen. Det är då materialet 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.
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.
– 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.
Ny aspekt: Fluktuationer i laddningsdensiteten
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.
“Osynlig del av isberget”
– 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.
– De nyupptäckta laddningsdensitetsfluktuationerna verkar vara en mycket generell egenskap hos kuprater, vilket betyder att de antagligen spelar en avgörande roll för materialens strömledningsförmåga, säger Giacomo Ghiringhelli
Vetenskaplig artikel:
Fotnot:
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, Chalmers tekniska högskola, riccardo.arpaia@chalmers.se
