Magnetismus hilft Elektronen, in Hochtemperatur-Supraleitern zu verschwinden

Supraleiter – Metalle, in denen Strom ohne Widerstand fließt – versprechen laut dem Physiker Brad Ramshaw das bestimmende Material der nahen Zukunft und werden bereits in medizinischen Bildgebungsgeräten, in der Arzneimittelforschung und in Quantencomputern verwendet, die von Google und IBM gebaut werden.

Die extrem niedrigen Temperaturen, die herkömmliche Supraleiter benötigen, um zu funktionieren – einige Grad über dem absoluten Nullpunkt – machen sie jedoch zu teuer für eine breite Anwendung.

Auf ihrer Suche nach nützlicheren Supraleitern haben Ramshaw, Dick & Dale Reis Johnson Assistant Professor of Physics am College of Arts and Sciences (A&S), und Kollegen entdeckt, dass Magnetismus der Schlüssel zum Verständnis des Verhaltens von Elektronen in Temperatur“ Supraleiter. Mit dieser Erkenntnis haben sie ein 30 Jahre altes Rätsel gelöst, das diese Klasse von Supraleitern umgibt, die bei viel höheren Temperaturen funktionieren, mehr als 100 Grad über dem absoluten Nullpunkt. Ihr Artikel „Fermi Surface Transformation at the Pseudogap Critical Point of a Cuprate Supraconductor“, veröffentlicht in Naturphysik 10. März.

„Wir möchten verstehen, was diese Hochtemperatur-Supraleiter zum Funktionieren bringt, und diese Eigenschaft in ein anderes Material einarbeiten, das in Technologien einfacher zu übernehmen ist“, sagte Ramshaw.

Ein zentrales Rätsel für Hochtemperatur-Supraleiter sei, was mit ihren Elektronen passiert, sagte Ramshaw.

„Alle Metalle haben Elektronen, und wenn ein Metall zu einem Supraleiter wird, paaren sich die Elektronen miteinander“, sagte er. „Wir messen etwas, das als ‚Fermi-Oberfläche‘ bezeichnet wird, was man sich als Karte vorstellen kann, die zeigt, wo sich alle Elektronen in einem Metall befinden.“

Um zu untersuchen, wie sich Elektronen in Hochtemperatur-Supraleitern paaren, verändern Forscher kontinuierlich die Anzahl der Elektronen durch einen Prozess, der als chemisches Dotieren bekannt ist. In Hochtemperatur-Supraleitern scheinen Elektronen an einem bestimmten „kritischen Punkt“ von der Fermi-Oberflächenkarte zu verschwinden, sagte Ramshaw.

Die Forscher konzentrierten sich auf diesen kritischen Punkt, um herauszufinden, was die Elektronen zum Verschwinden bringt und wohin sie gehen. Sie verwendeten den stärksten stationären Magneten der Welt, den 45-Tesla-Hybridmagneten des National High Magnetic Field Laboratory in Tallahassee, Florida, um die Fermi-Oberfläche eines Kupferoxid-Hochtemperatur-Supraleiters als Funktion der Elektronenkonzentration zu messen. genau um den kritischen Punkt herum.

Sie fanden heraus, dass sich die Fermi-Oberfläche vollständig ändert, wenn die Forscher den kritischen Punkt überschreiten.

„Es ist, als würde man auf eine echte Karte schauen und plötzlich wären die meisten Kontinente einfach verschwunden“, sagte Ramshaw. „Das ist, was wir gefunden haben, passiert mit der Fermi-Oberfläche von Hochtemperatur-Supraleitern am kritischen Punkt – die meisten Elektronen in einer bestimmten Region, einem bestimmten Teil der Karte, verschwinden.“

Für die Forscher war es wichtig, nicht nur zu beachten, dass Elektronen verschwanden, sondern welche im Besonderen, sagte Ramshaw.

Sie bauten verschiedene Simulationsmodelle auf der Grundlage mehrerer Theorien und testeten, ob sie die Daten erklären könnten, sagte Yawen Fang, Doktorand in Physik und Hauptautor der Arbeit.

„Am Ende haben wir ein Gewinnermodell, das mit Magnetismus in Verbindung gebracht wird“, sagte Fang. „Wir treten selbstbewusst von der gut verstandenen Seite des Materials, messen unsere Technik, in die mysteriöse Seite über den kritischen Punkt hinaus.“

Jetzt, da sie wissen, welche Elektronen verschwinden, haben die Forscher eine Idee warum – es hat mit Magnetismus zu tun.

„Es gab immer Hinweise darauf, dass Magnetismus und Supraleitung in Hochtemperatur-Supraleitern zusammenhängen, und unsere Arbeit zeigt, dass dieser Magnetismus genau am kritischen Punkt zu erscheinen scheint und die meisten Elektronen verschlingt“, sagte Ramshaw. „Dieser kritische Punkt markiert auch die Elektronenkonzentration, wo die Supraleitung bei den höchsten Temperaturen stattfindet, und hier sind Hochtemperatur-Supraleiter das Ziel.“

Das Wissen, dass der kritische Punkt mit Magnetismus verbunden ist, bietet einen Einblick, warum diese speziellen Supraleiter so hohe Übergangstemperaturen haben, sagte Ramshaw, und vielleicht sogar, wo man suchen muss, um neue mit noch höheren Übergangstemperaturen zu finden.

„Es ist eine 30 Jahre alte Debatte, die unserer Studie vorausgeht, und wir haben eine einfache Antwort gefunden“, sagte Gaël Grissonnanche, Postdoktorand am Kavli-Institut an der Cornell for Nanoscale Science und Co-Erstautor.