Tema

Vägen till supraledning går via kvantsammanflätning

”Strange metal”-tillståndet finns i supraledare strax innan de blir supraledande. Forskare från Chalmers har upptäckt att kvantsammanflätning tycks ligga bakom. Det är en viktig pusselbit för att förstå denna typ av material.

Så kallad supraledning, där en elektrisk ström transporteras utan några energiförluster, har en enorm potential för många olika applikationer, exempelvis grön teknik. Om man kan få den att fungera vid tillräckligt höga temperaturer kan supraledningen göra det möjligt med till exempel effektiva transporter av förnybar energi över stora avstånd.

Det nuvarande temperaturrekordet ligger på -130 grader Celsius, en temperatur som vid en första anblick kanske inte verkar vara hög, men som ska jämföras med vanliga supraledare som fungerar i temperaturer under -230 grader Celsius.

Konstigt metalltillstånd får sin lösning

Idag är kunskaperna om vanlig supraledning goda, men inom högtemperaturssupraledning finns fortfarande gåtor som väntar på en lösning, och det kan forskningen bidra med. Den nyligen publicerade forskningen fokuserar på den egenskap där förståelsen är lägst – det så kallade ”strange metal”-tillståndet – som förekommer vid temperaturer högre än de som möjliggör supraledning.

Supraledare leder ström extremt bra

Supraledning är ett fenomen inom det fasta tillståndets fysik, och uppträder under en viss kritisk temperatur – i vissa material. Typiskt för ett supraledande material är en oändligt stor elektrisk ledningsförmåga, och att det inte kan innehålla något magnetiskt fält.

Supraledning används främst i supraledande elektromagneter. När man väl har satt igång en ström genom en supraledande krets, varar den utan extern strömkälla så länge kretsen förblir supraledande. Supraledande magneter kan alstra magnetfält på 6 tesla och högre. Så starka magnetfält används till exempel i magnetresonanstomografi, och i partikelacceleratorer som Large Hadron Collider på CERN.

Supraledning upptäcktes år 1911. Vid mätningar av ledningsförmågan av olika metaller vid låga temperaturer upptäckte han att kvicksilver blev supraledande vid en temperatur på 4,2 Kelvin, det vill säga -231,15 (eller 42 grader över den så kallade Absoluta nollpunkten på -273,15 grader Celsius ).

Högtemperatursupraledare är material som är supraledande vid temperaturer över kokpunkten för flytande kväve (−196 °C eller 77 K), det vill säga högre än för vanlig supraledning.
Termen ”högtemperatursupraledare” användes först om gruppen av keramiska kuprat-perovskit-material som upptäcktes 1986 och ledde till nobelpris redan året efter.

– ”Strange metal” är onekligen ett passande namn, då de här materialen verkligen beter sig på ett mycket ovanligt sätt, och det är något av ett mysterium bland forskare. Vårt arbete ger en ny förståelse för fenomenet. Genom nya experiment har vi fått fram viktig ny information om hur ”strange metal”-tillståndet fungerar, säger Floriana Lombardi, professor vid institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap på Chalmers.

Temperaturen påverkar hur bra materialet leder elektricitet

Strange metal”-tillståndet fick sitt namn eftersom metallens beteende när den leder elektricitet är alldeles för enkelt vid en första anblick. I en vanlig metall är det många olika processer som påverkar det elektriska motståndet:  elektroner kan kollidera med atomerna i materialet, med föroreningar eller med sig själva, och varje process har ett unikt temperaturberoende. Detta innebär att det totala motståndet blir en komplicerad funktion av temperaturen. I skarp kontrast till detta är motståndet för ”strange metals” en linjär funktion av temperaturen, vilket innebär en rak linje från de lägsta uppnåeliga temperaturerna upp till där materialet smälter.

– Ett så enkelt beteende ser ut att kräva en enkel förklaring baserad på en kraftfull princip. Och för denna typ av kvantmaterial tros principen vara kvantsammanflätning, säger Ulf Gran, biträdande professor vid institutionen för fysik på Chalmers.

Spöklik kvantsammanflätning slås ut av ”laddningsvågor”

Kvantsammanflätning är vad Einstein kallade ”spooky action at a distance” och beskriver ett sätt för elektroner att interagera som inte har någon motsvarighet i klassisk fysik. För att förklara egenskaperna hos ”strange metal”- tillståndet måste alla elektroner vara sammanflätade med varandra. Det leder till en röra av elektroner där det inte längre går att urskilja enskilda partiklar, och som utgör en helt ny form av materia.

Det viktigaste fyndet i forskningsstudien är att forskarna upptäckte vad som i praktiken slår ut ”strange metal”-tillståndet. I högtemperaturssupraledare uppstår laddningsdensitetsvågor (Charge Density Waves, CDW). De är krusningar av elektrisk laddning som genereras av elektronerna i materialets atomstruktur när ”strange metal”-fasen bryts ner.

För att utforska denna koppling använde forskarna prov i nanostorlek av den supraledande metallen yttrium-barium-kopparoxid (YBCO). De satte metallen under dragspänning för att hålla tillbaka laddningsdensitetsvågorna. Detta ledde då till att ”strange metal”-tillståndet återkom. Genom att dra i metallen på detta sätt kunde forskarna alltså expandera ”strange metal”-tillståndet till den region som tidigare dominerades av CDW – vilket därmed gjorde den ”konstiga metallen” ännu konstigare.

Pusselbit för att skapa superledning vid högre temperatur

– De högsta temperaturerna för de supraledande övergångarna har observerats när ”strange metal”- fasen är mer markant. Att förstå denna nya fas av materia är därför av yttersta vikt för att kunna konstruera nya material som uppvisar supraledning vid ännu högre temperaturer, förklarar Floriana Lombardi.

Forskarnas arbete indikerar ett nära samband mellan uppkomsten av laddningsdensitetsvågor och nedbrytningen av ”strange metal”-tillståndet – en potentiellt viktig ledtråd för att förstå det senare fenomenet. Upptäckten kan utgöra ett av de tydligaste bevisen för när kvantmekaniska principer manifesteras på makroskopiska skalor. Resultaten tyder också på en lovande ny forskningsväg, att med hjälp av dragspänning manipulera kvantmaterial.

Vetenskaplig artikel:

Restored strange metal phase through suppression of charge density waves in underdoped YBa2Cu3O7–δ , Science

Bakom resultaten står Eric Wahlberg, Riccardo Arpaia, Edoardo Trabaldo, Ulf Gran, Thilo Bauch och Floriana Lombardi från Chalmers tekniska högskolay, i samarbete med forskare från Politecnico di Milano, University La Sapienza, Brandenburg University of Technology och European Synchrotron facility (ESRF).

Kontakt:

Floriana Lombardi, professor, kvantkomponentfysik, institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap, Chalmers tekniska högskola, floriana.lombardi@chalmers.se
Ulf Gran, biträdande professor, avdelningen för subatomär, högenergi- och plasmafysik, institutionen för fysik, Chalmers tekniska högskola, ulf.gran@chalmers.se

Vi finns där du är @forskningsnyhet

Vägen till supraledning går via kvantsammanflätning

 lästid ~ 5 min