Superledere forbløffer forskere

Superledere ved høj og lav temperatur ligner mere end forventet

Scanning af tunnelmikroskopfotografering af en prøve af en cuprate-superleder Cornell University
læst op

En stor overraskelse kom fra amerikanske forskere, da de først observerede opførsel af såkaldte højtemperatur-superledere ved hjælp af en ny metode på niveauet for enkeltatomer. Fordi mekanismerne, der giver disse materialer deres næsten modstandsfri ledningsevne, ligner de fra lavtemperatur-superledere på en overraskende måde. Som forskerne rapporterer i den aktuelle udgave af tidsskriftet Nature, er dette i modstrid med tidligere antagelser.

Superledere er normalt metalliske materialer, der kan lede elektrisk strøm uden næsten ingen elektrisk modstand, hvis de afkøles korrekt. Hvis temperaturen falder under tærsklen, mister de næsten pludselig deres modstand og ændrer også deres magnetiske opførsel. Mens den elektriske modstand normalt skyldes samspillet mellem elektroner og små defekter i krystalgitteret, kombineres elektroner i superledningsevne og danner elektronpar, og disse afgiver ikke længere energi til gitteret - den hæmmende interaktion undertrykkes, modstanden forsvinder.

Mens højtemperaturledere kun skal afkøles til temperaturen i flydende nitrogen, er dette ikke tilstrækkeligt med "normale" superledere. De viser deres særlige ledningsevne kun tæt på absolut nul. Forskere ved Cornell University i Ithaca og fysikeren Séamus Davis undersøgte opførslen af ​​visse modificerede kobberoxider, cuprates. Disse betragtes som højtemperatur-superledere, da de bliver superledende ved ca. minus 123 grader celsius. De er vidt brugt i industrien, fordi de i modsætning til normale superledere kan køles med flydende nitrogen.

Atomadfærd i skannetunnelmikroskopet

Forskerne byggede deres analyse på en metode, der blev udviklet ved Cornell University for et årti siden, der giver en mulighed for at måle vibrationer i individuelle atomer. Nu brugte Davis og kolleger denne metode baseret på scanning af tunnelmikroskopi for første gang til at måle en større prøve. Som en prøve brugte de pimpsten-strontium-calcium-kobberoxid, et cuprat, der bliver superledende under -185, 15 grader celsius. Ved hver position i deres undersøgelse udførte forskerne flere målinger, herunder en for at detektere tilstedeværelsen af ​​såkaldte parrede elektroner og en for at vise tilstedeværelsen af ​​vibrationer i krystalgitteret i superlederen.

Vibration i stedet for magnetfelter?

"Vores største forventning var, at elektronparring i cuprates skyldtes magnetiske interaktioner, " forklarer Davis. ”Målet med vores eksperiment var at finde denne magnetiske 'lim'." I stedet fandt forskerne, at interaktionen af ​​elektroner med vibrerende atomer i krystalgitteret så anderledes ud end tidligere antaget. Ikke magnetiske kræfter, men samspillet med gitterets vibrerende atomer, den såkaldte "fonon", syntes at have indflydelse på sammenkoblingen af ​​elektronerne. Selvom dette hidtil er blevet betragtet som en mulig mekanisme for den "normale" lavtemperatur-superleder, men ikke for højtemperaturvarianten. udstilling

Superledere ved høj og lav temperatur ligner mere end forventet

Ifølge forskerne antyder deres observationer imidlertid, at begge typer superledere ser ud til at være mindst delvist på grund af en lignende mekanisme. ”Det var et enormt chok, ” beskriver Davis sin første reaktion. Vi viste, at vi ikke kan ignorere elektron-fonon-interaktion. Selvom vi ikke kan bevise, at hun er involveret i parring endnu, har vi bevist, at hun ikke kan udelukkes. "

I yderligere eksperimenter fandt forskerne lignende interaktioner, selvom de brugte varianter af de tidligere testede Cuprats. I disse blev individuelle atomer fra andre elementer inkorporeret i krystalgitteret, hvilket ændrede magnetfelterne i gitteret. Da de brugte en anden iltisotop til at fremstille kupratet, en med en atomvægt på 18 i stedet for 16, ændrede resultatet sig meget godt. Dette antyder, siger forskerne, at ikke magnetiske effekter, men atomernes vibrationer spiller en vigtig rolle her. Det foreslås en direkte indflydelse af gittervibrationsenergien på atomniveauet på energien til elektronparringen konkluderer fysikerne.

(Cornell University, 03.08.2006 - NPO)