Natuurkundigen openen een nieuwe weg naar een vreemde vorm van supergeleiding

De onderzoekers publiceerden een nieuw theoretisch kader.

Natuurkundigen hebben een mechanisme geïdentificeerd dat verantwoordelijk is voor het creëren van oscillerende supergeleiders, genaamd dichtheidspaargolven. De resultaten, die een atypische staat van hoge supergeleiding benadrukken die wordt waargenomen in bepaalde materialen, zoals supergeleiders op hoge temperatuur, zijn gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven.

“We ontdekten dat structuren die bekend staan ​​als Van Hove-singulariteiten gemodificeerde, oscillerende toestanden van supergeleiding kunnen produceren”, zegt Louise Santos, assistent-professor natuurkunde aan de Emory University en senior auteur van het onderzoek. “Ons werk biedt een nieuw theoretisch kader voor het begrijpen van de opkomst van dit gedrag, een fenomeen dat niet goed wordt begrepen.”

De eerste auteur van de studie is Pedro Castro, een afgestudeerde student natuurkunde van Emory. Co-auteurs zijn Daniel Shaffer, een postdoctoraal onderzoeker in de Santos-groep, en Yi-Ming Wu van Stanford University.

Santos is een theoretisch wetenschapper die gespecialiseerd is in de fysica van de gecondenseerde materie. Het bestudeert de interacties van kwantummaterie – kleine dingen zoals atomen, fotonen en elektronen – die zich niet gedragen volgens de wetten van de klassieke natuurkunde.

Supergeleiding, of het vermogen van sommige materialen om elektriciteit te geleiden zonder energie te verliezen bij afkoeling tot een extreem lage temperatuur, is een voorbeeld van interessant kwantumgedrag. Dit fenomeen werd ontdekt in 1911 toen de Nederlandse natuurkundige Heike Kamerling Onnes aantoonde dat kwik zijn elektrische weerstand verloor bij afkoeling tot 4 Kelvin, of min 371 graden. F. Dit gaat over een temperatuur Uranusde koudste planeet in het zonnestelsel.

Het kostte wetenschappers tot 1957 om een ​​verklaring te vinden voor hoe en waarom supergeleiding ontstaat. Bij normale temperaturen dwalen elektronen min of meer onafhankelijk rond. Ze botsen met andere deeltjes, waardoor ze van snelheid en richting veranderen en energie verspillen. Bij lagere temperaturen kunnen elektronen zich echter organiseren in een nieuwe toestand van materie.

Louise Santos, assistent-professor natuurkunde aan de Emory University, is de hoofdauteur van het onderzoek. Krediet: Emory University

“Ze vormen paren die samengebonden zijn in een collectieve staat die zich gedragen als een enkele entiteit”, legt Santos uit. “Je kunt ze zien als soldaten in een leger. Als ze zich geïsoleerd voortbewegen, zijn ze gemakkelijk af te weren. Maar als ze samen in een gestaag tempo lopen, is het erg moeilijk om ze te destabiliseren. Deze collectieve staat voert de stroom in een krachtige manier.”

Supergeleiding heeft een enorm potentieel. In theorie zou het elektrische stroom door de draden kunnen laten gaan zonder ze op te warmen of energie te verliezen. Deze draden kunnen dan veel meer elektriciteit vervoeren, en met veel meer efficiëntie.

“Een van de grote zegeningen van de natuurkunde is supergeleiding bij kamertemperatuur, wat praktisch genoeg is voor alledaagse toepassingen”, zegt Santos. “Deze doorbraak kan de vorm van de beschaving veranderen.”

Veel natuurkundigen en ingenieurs werken aan deze frontlinie om een ​​revolutie teweeg te brengen in de manier waarop elektriciteit wordt overgedragen.

Inmiddels heeft supergeleiding al toepassingen gevonden. Supergeleidende spoelen werken op de magnetische energie die wordt gebruikt in MRI-machines (Magnetic Resonance Imaging) voor medische diagnose. Er rijdt nu een handvol magnetische zweeftreinen in de wereld, gebouwd op supergeleidende magneten die tien keer sterker zijn dan gewone elektromagneten. De magneten stoten af ​​wanneer de twee identieke polen tegenover elkaar staan, waardoor een magnetisch veld wordt gegenereerd dat de trein kan optillen en voortstuwen.

De Large Hadron Collider, een deeltjesversneller die wetenschappers gebruiken om de basisstructuur van het universum te onderzoeken, is een ander voorbeeld van technologie die werkt via supergeleiding.

Supergeleiding wordt nog steeds ontdekt in meer materialen, waaronder veel die supergeleidend zijn bij hogere temperaturen.

Een focus van Santos’ onderzoek is hoe interacties tussen elektronen kunnen leiden tot vormen van supergeleiding die niet kunnen worden verklaard door de beschrijving van supergeleiding uit 1957. Een voorbeeld van een zogenaamd exotisch fenomeen is oscillerende supergeleiding, wanneer gepaarde elektronen in golven dansen en de capaciteit veranderen. .

In een niet-gerelateerd project vroeg Santos Castro om bepaalde eigenschappen van van Hove-singulariteiten te onderzoeken, structuren waarin veel elektronische toestanden qua energie dicht bij elkaar komen te liggen. Het Castro-project onthulde dat singulariteiten de juiste soort fysica lijken te hebben voor het zaaien van oscillerende supergeleiders.

Dat bracht Santos en zijn medewerkers ertoe om dieper te graven. Ze hebben een mechanisme ontdekt waarmee dansende golftoestanden van supergeleiding kunnen ontstaan ​​uit van Hove-singulariteiten.

“Als theoretisch natuurkundigen willen we gedrag kunnen voorspellen en classificeren om te begrijpen hoe de natuur werkt”, zegt Santos. “Dan kunnen we beginnen met het stellen van de relevante technologievragen.”

Sommige supergeleiders op hoge temperatuur – die werken bij temperaturen die drie keer kouder zijn dan die van een huisvriezer – hebben dit dansende golfgedrag. Uitzoeken hoe dit gedrag voortkomt uit van Hove-singulariteiten biedt een basis voor experimentatoren om de wereld van mogelijkheden die het biedt te verkennen.

“Ik betwijfel of Kamerlingh Onnes aan levitaties of deeltjesversnellers dacht toen hij supergeleiding ontdekte”, zegt Santos. “Maar alles wat we over de wereld leren, heeft potentiële toepassingen.”

Referentie: “De opkomst van supergeladen Chern-golven en paardichtheid door Van Hove-singulariteiten van hogere orde in het Haldane-Hubbard-model” door Pedro Castro, Daniel Shaffer, Ye-Ming Wu en Louise H. Santos, 11 juli 2023, hier beschikbaar . Fysieke beoordelingsbrieven.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.026601

Het werk werd gefinancierd door het Office of Basic Energy Sciences van het Amerikaanse ministerie van Energie.