Nieuwe elektronengolf ontdekt in hoge temperatuur supergeleiders

Ladingsdichtheidsgolven zijn slechts het topje van de ijsberg van het fenomeen van de ladingsmodulatie: fluctuaties in de ladingsdichtheid zijn veelomvattender en zijn wellicht cruciaal voor het ontsluiten van de geheimen van supergeleiders bij hoge temperaturen. Beeld: Yen Strandqvist / Chalmers

Onderzoekers van Chalmers University of Technology en Politecnico di Milano hebben elektronengolf geïdentificeerd die kan helpen sommige van de mysteries over supergeleidende materialen te onthullen. Ze denken hiermee een cruciale stap te zetten op weg naar supergeleiders die bij kamertemperatuur werken.

De bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Science.

Supergeleiders met hoge kritische temperatuur hebben een variabele ladingsdichtheid, wat betekent dat hun elektrische lading ongelijk verdeeld is. Dit is gedeeltelijk het gevolg van wat bekend staat als 'ladingsdichtheidsgolven', die enkele jaren geleden werden ontdekt. Maar deze zijn slechts onder bepaalde omstandigheden en sporadisch waargenomen. Daarom werd niet aangenomen dat ze een bijdragende factor waren voor de supergeleidende eigenschappen van de materialen.

Wat de onderzoekers nu hebben ontdekt, is echter een bijkomend aspect van de variabele ladingsdichtheid, dat ze ‘ladingsdichtheidsschommelingen' noemen. Deze zijn geïdentificeerd als een aanvullende ladingsmodulatie, collectief en met een kortere correlatielengte. In vergelijking met de conventionele ladingsdichtheidsgolven, werken ze bij een veel groter temperatuurbereik, tot kamertemperatuur en daarbuiten, en bij verschillende niveaus van zuurstofdoping.

"Deze schommelingen kunnen een cruciaal ingrediënt zijn van de zeer onconventionele eigenschappen bij kamertemperatuur van supergeleiders met een hoge kritische temperatuur - iets dat ons gemeenschappelijke begrip van het ladingstransport in metalen uitdaagt", zegt postdoc Riccardo Arpaia, die het onderzoek uitvoerde.

Synchotron

"Je zou kunnen zeggen dat de ladingsdichtheidsgolven slechts het topje van de ijsberg zijn. De schommelingen in de ladingsdichtheid die we nu hebben geïdentificeerd, zijn als het verborgen grootste deel van de ijsberg. De ontdekkingen waren mogelijk dankzij de belangrijke ontwikkelingen van op synchrotron gebaseerde röntgenverstrooiingstechnieken en de kwaliteit van de monsters die we hebben gebruikt."

Competitie

Het papier kijkt verder hoe de ladingsdichtheidsfluctuaties evolueren met de temperatuur van het materiaal. Terwijl ladingsdichtheidsgolven abrupt veranderen zodra de kritieke temperatuur is bereikt, dus afhankelijk van of het materiaal in een supergeleidende toestand is of niet, worden de fluctuaties niet beïnvloed door de supergeleiding. Dit geeft aan dat de twee kenmerken niet met elkaar ‘in competitie zijn'. Deze bevinding versterkt de theorie van de onderzoekers kunnen dat schommelingen in de ladingsdichtheid de sleutel zijn om het mysterie van deze materialen te verklaren.

Omdat supergeleiders bij zulke lage temperaturen werken, vereisen ze koeling uit vloeibaar helium of vloeibare stikstof, waardoor ze duur en moeilijk te gebruiken zijn buiten bepaalde commerciële toepassingen. Maar als een supergeleider dichter bij kamertemperatuur zou kunnen werken, zou deze een enorm potentieel kunnen hebben. Daarom is er veel interesse in het verbeteren van ons begrip van hoe deze klasse van supergeleiders werkt.

Giacomo Ghiringhelli, hoogleraar natuurkunde aan de Politecnico di Milano, zegt over het onderzoek: "Sinds 2012, toen ladingsdichtheidsgolven in cuprates voor het eerst werden waargenomen, was hun belang niet betwist - maar hun rol is onduidelijk gebleven. De nieuw waargenomen schommelingen in de ladingsdichtheid lijken een zeer algemene eigenschap van deze materialen te zijn, wat betekent dat ze waarschijnlijk een cruciale rol spelen in het transport van elektrische stroom in koperachtigen."

Bron: engineersonline.nl