15:46
Новый подход к изучению расположения электрических зарядов в сверхпроводнике

Высокотемпературные сверхпроводники - это класс материалов, которые могут проводить электричество с почти нулевым сопротивлением при температурах, которые относительно высоки по сравнению с их стандартными аналогами, которые должны быть охлаждены почти до абсолютного нуля—самой холодной возможной температуры. Высокотемпературные материалы возбуждают, потому что они содержат возможность революционизировать современную жизнь, например, облегчая сверхэффективную передачу энергии или будучи использованными для создания передовых квантовых компьютеров.

Одна особая группа высокотемпературных сверхпроводников, купраты, изучается уже 30 лет, но ученые до сих пор не могут полностью объяснить, как они работают: что происходит внутри "типичного" купрата?

Собрать воедино полную картину их электронного поведения жизненно важно для создания "Святого Грааля" купратов: универсального, прочного материала, способного сверхпроводить при комнатной температуре и давлении окружающей среды.

С этой целью исследовательская группа, возглавляемая учеными из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE), недавно обнаружила новую информацию об электронном поведении конкретного купрата, используя рентгеновский метод, который до сих пор широко не использовался для их изучения. Работая частично в Брукхейвенской лаборатории National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), пользовательском центре DOE Office of Science, исследователи использовали форму рентгеновского рассеяния для изучения специфического расположения электрического заряда, возникающего в купратах: упорядоченная картина электронов, известная как волна плотности заряда (CDW).

Рентгеновская техника-резонансное неупругое рентгеновское рассеяние (RIXS)—может открыть новые интригующие направления исследований этих материалов. Результаты этого исследования опубликованы в интернет-издании Physical Review Letters от 21 мая.

CDWs в купратах

CDW можно визуализировать как картину стоячей волны электронов. Cdw возникают в упорядоченных кристаллических материалах, таких как купраты, которые состоят из чередующихся слоев оксида меди и изолятора (обычно другого оксида). Изолирующие плоскости служат резервуарами заряда, которые питают слои оксида меди, где имеет место сверхпроводимость.

Долгое время считалось, что cdw играют жизненно важную роль в том, как сверхпроводимость купратов, но характеристика одного из них—как он появляется и исчезает, как он ведет себя, как он добавляет или препятствует сверхпроводимости—является постоянной проблемой для ученых.

В NSLS-II и Алмазном источнике света Соединенного Королевства группа изучала купрат, состоящий из лантана, меди и кислорода, который был "легирован" небольшим количеством стронция (получившего название LSCO). Легирование-это метод, при котором к соединению добавляют крошечные количества примесного вещества для изменения или улучшения его электрических, оптических или структурных свойств.

Группа создала четыре образца LSCO с четырьмя различными уровнями допинга. Уровни допинга охватывают диапазон электронного поведения, в котором CDW находится в самом сильном состоянии, а затем исчезает. Этот диапазон также охватывает переход в электронной структуре LSCO: "поверхность Ферми", которая представляет собой теоретическую трехмерную оболочку, которая разделяет заполненные и незаполненные электронные орбитали-объем вокруг ядра, где конкретные электроны, скорее всего, будут—когда материал имеет температуру абсолютного нуля. Поверхности Ферми абстрактны, но они очень важны, часто предсказывая электронное поведение материала, а также многие другие свойства.

Новый способ изучения купратных CDWs

В RIXS энергия падающих рентгеновских фотонов передается электронам на уровне ядра в кристаллическом образце," возбуждая " их в зону проводимости. Вакансии, оставленные электронами ядра, заполняются электронами валентной зоны, которые испускают фотон, совершая прыжок в зону с более низкой энергией. Эти испускаемые фотоны образуют спектр энергий, которые могут быть проанализированы для получения информации о возбуждениях и общем электронном поведении материала.

В NSLS-II работа была выполнена на мягком Неупругом рентгеновском луче (SIX) beamline, который предлагает сверхвысокое энергетическое разрешение RIXS. Методика обладает повышенной чувствительностью к возбуждениям как валентных электронов, так и фононов—коллективных колебаний атомной решетки. CDW может быть связан с этими возбуждениями.

"Недавнее открытие того, что эффекты CDW вплетаются в спектры купратных RIXS, было захватывающим для исследователей в этой области, поскольку оно содержит дразнящее обещание, что мы сможем прояснить взаимодействия, которые приводят к возникновению CDW",-сказал Марк Дин, физик из Брукхейвенского отделения физики конденсированных сред и материаловедения, который руководил исследованием вместе с Сюэрунг Лю из Шанхайского технологического университета и Валентиной Бисогни из NSLS-II.

Дин и его коллеги обнаружили, что спектры RIXS в основном неизменны на всех уровнях легирования, несмотря на пересечение перехода Ферми. Это указывает на то, что спектры не связаны с возбуждениями вблизи поверхности Ферми. Но узнать больше из спектров RIXS-а именно, изолировать и интерпретировать возможные эффекты CDW-это сложная задача.

"Cdw неизбежно изменяют свою кристаллическую решетку хозяина и, следовательно, фононы", - сказал бизоньи. "Еще больше усложняет ситуацию тот факт, что существуют различные подходы к интерпретации данных RIXS."

Проведя тщательный и тщательный анализ, исследовательская группа пришла к выводу, что спектры RIXS практически не имеют прямого отношения к электронным возбуждениям. Вместо этого на них сильнее всего влияет поведение фононов, включая "размягчение" фононов—снижение частоты,—вызванное CDW и изменениями интенсивности фононов.

"Мировое рекордное энергетическое разрешение, недавно достигнутое на шести лучах, имело решающее значение для этого исследования, позволив нам решить и идентифицировать различные вклады, присутствующие в данных RIXS", - сказал Дин.

Группа утверждает, что их результаты подтверждают сценарий, в котором CDW управляется "сильными корреляциями" между электронами—термин, используемый для описания не очень хорошо понятого электронного поведения в материалах-и добавляют поддержку идее, что реакция RIXS в купратах управляется тем, как CDW изменяет кристаллическую решетку, и как эти модификации вызывают более сложные взаимодействия.

"Благодаря работе шестерки мы смогли поместить новый фрагмент в головоломку, которая представляет собой физику сверхпроводников из купрата", - сказал бизоньи. "После всей работы по созданию, вводу в эксплуатацию и оптимизации beamline здорово видеть, что из этих усилий выходит высокоэффективная наука. Мы надеемся, что эта публикация станет первой из многих таких совместных публикаций."

В будущей работе та же команда надеется изучить эти системы с еще более высоким энергетическим разрешением, чтобы выявить детали колебательных режимов решетки с более низкой энергией.

Похожие материалы:

Так же рекомендуем посмотреть:

8 хитростей, как выглядеть сексуально каждый день


Генная терапия доходит до клинических испытаний


Новое исследование обеспечивает комплексную реконструкцию массового вымирания в конце Перми

Категория: Космос / Планеты / Технологии | Просмотров: 91 | Добавил: admin | Теги: NSLS-II, исследовательская группа, Новый подход к изучению расположени, поверхность Ферми, RIXS, lsco, электрон, электронное поведение, материал, возбуждение, CDW, Спектр, абсолютный нуль, Six, doe | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 0
avatar