„Ladungsdichtewelle“ steht im Zusammenhang mit Atomverzerrungen im potenziellen Supraleiter

Warum führen manche Materialien Strom ohne Widerstand? Wissenschaftler versuchen, die komplexen Eigenschaften zu entschlüsseln. Die Nutzung dieser als Supraleitung bekannten Eigenschaft könnte zu vollkommen effizienten Stromleitungen, ultraschnellen Computern und einer Reihe energiesparender Fortschritte führen. Diese Materialien verstehen, wenn sie sind nicht Supraleitung ist ein wichtiger Teil der Suche nach der Erschließung dieses Potenzials.

„Um das Problem zu lösen, müssen wir die vielen Phasen dieser Materialien verstehen“, sagte Kazuhiro Fujita, Physiker in der Abteilung für Physik und Materialwissenschaft der kondensierten Materie des Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums. In einer neuen Studie, die gerade veröffentlicht wurde Körperliche Untersuchung XFujita und seine Kollegen suchten nach einer Erklärung für eine Kuriosität, die in einer Phase beobachtet wurde, die mit der supraleitenden Phase eines Kupferoxid-Supraleiters koexistiert.

Bei der Anomalie handelte es sich um ein mysteriöses Verschwinden der Schwingungsenergie der Atome, aus denen das Kristallgitter des Materials besteht. „Röntgenstrahlen zeigen, dass die Atome auf bestimmte Weise schwingen“, sagte Fujita. Aber wenn das Material abkühlt, hört ein Modus der Schwingungen auf, wie die Röntgenuntersuchungen zeigten.

„Unsere Studie untersuchte die Beziehung zwischen der Gitterstruktur und der elektronischen Struktur dieses Materials, um zu sehen, ob wir verstehen können, was vor sich ging“, sagte Fujita.

Das Brookhaven-Team verwendete ein Werkzeug namens Spektroskopisches Bildgebungs-Rastertunnelmikroskop (SI-STM). Durch Scannen der Oberfläche des Schichtmaterials mit BillionstelMit einer Genauigkeit von einem Meter konnten sie die Atome kartieren und die Abstände zwischen ihnen messen – und gleichzeitig die elektrische Ladung an jedem Ort im atomaren Maßstab messen.

Die Messungen waren empfindlich genug, um die durchschnittlichen Positionen der Atome zu erfassen, wenn sie vibrierten – und zeigten, wie sich diese Positionen veränderten und festhielten, wenn die Vibrationen aufhörten. Sie zeigten auch, dass das anomale Verschwinden der Schwingungen direkt mit der Entstehung einer „Ladungsdichtewelle“ zusammenhängt – einer modularen Verteilung der Ladungsdichte im Material.

Die Elektronen, aus denen die Ladungsdichtewelle besteht, sind lokalisiert, also an festen Positionen – und von den beweglicheren Elektronen getrennt, die schließlich den Strom in der supraleitenden Phase transportieren, erklärte Fujita. Diese lokalisierten Elektronen bilden ein sich wiederholendes Muster höherer und niedrigerer Dichten, das als nebeneinander liegende Leitern dargestellt werden kann (siehe Diagramm). Es ist das Auftreten dieses Musters, das die normalen Schwingungen der Atome verzerrt und ihre Positionen entlang der Richtung der „Sprossen“ verschiebt.

„Wenn die Temperatur sinkt und die Ladungsdichtewelle (CDW) entsteht, nimmt die Schwingungsenergie ab“, sagte Fujita. „Indem man sowohl die Ladungsverteilung als auch die Atomstruktur gleichzeitig misst, kann man sehen, wie die Entstehung des CDW die Atome an Ort und Stelle fixiert.“

„Dieses Ergebnis impliziert, dass die Ladungsdichtewelle beim Schwingen der Atome mit dem Gitter interagiert und das Gitter löscht. Sie stoppt die Schwingungen und verzerrt das Gitter“, sagte Fujita.

Das ist also ein weiterer Hinweis darauf, wie zwei Eigenschaften einer Phase eines supraleitenden Materials zusammenwirken. Aber über diese vielversprechenden Materialien gibt es noch viel zu entdecken, sagte Fujita.

„Es gibt viele Variablen. Elektronen und das Gitter sind nur zwei davon. Wir müssen all diese und ihre Wechselwirkungen miteinander berücksichtigen, um diese Materialien wirklich zu verstehen“, sagte er.