Bilim adamları elektronların titreşen atomlarla nasıl dans ettiklerini ilk bakışta bulurlar.
Energy'nin SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı ve Stanford Üniversitesi'ndeki bilim adamları, ilk doğrudan ölçümleri yaptılar ve en hassas olanları, elektronların, egzotik bir malzemeden dalgalanan atomik titreşimlerle nasıl hareket ettikleri, yani aynı ritim.
Titreşimlere fononlar denir ve ölçülen araştırmacıların elektron-fononu, teorinin tahmin ettiğinden 10 kat daha güçlüdür; bu da, beklenmedik şekilde yüksek sıcaklıklarda kaybolacak malzemelerin elektrik üretmesine olanak tanıyan, konvansiyonel süperiletkenlikte bir rol oynamaya yetecek kadar güçlü kılar..
Dahası, geliştirdikleri yaklaşım, bilim adamlarına, şaşırtıcı özellikleri, elektronlar gibi temel parçacıkların kolektif davranışlarından ortaya çıkan çok çeşitli “acil” materyalleri incelemek için tamamen yeni ve doğrudan bir yol sağlar. Yeni yaklaşım, teoriye dayalı varsayımlara dayanmak yerine, bu materyalleri yalnızca deneylerle araştırmaktadır.
Deneyler, SLAC'ın Linac Tutarlı Işık Kaynağı (LCLS) X-ışını serbest elektron lazeri ile ve Stanford kampüsünde açı-çözülmüş fotoemisyon spektroskopisi (ARPES) tekniği ile gerçekleştirildi. Araştırmacılar bu çalışmayı bugün Bilim'de açıkladı.
Bir 'Atılım' Yaklaşımı
Chicago Üniversitesi Moleküler Mühendisliği Enstitüsü'nden Profesör ve çalışmasında yer almayan DOE Argonne Ulusal Laboratuvarı'nda kıdemli bilim insanı olan Giulia Galli, “Bu sonucun birkaç etkisi olacağına inanıyorum” dedi.
“Elbette yöntemi, herkesin anlamaya ve anlamaya çalıştığı çok önemli bir malzemeye uyguladılar ve bu harika” dedi. “Ancak, çok fazla malzeme ve fiziksel süreçte çok önemli olan elektron fonon etkileşimini ölçebildiklerini göstermeleri gerçeği, bu, diğer birçok deneyde başka bir çok deneyime yol açacak bir atılım olduğuna inanıyorum. malzemeler."
O, bu ölçümü yapabilmesinin, bilim adamlarının, bu materyallerin fiziğini anlatan ve tahmin edemeyen teorileri ve hesaplamaları, daha önce asla yapamadıkları bir şekilde doğrulamasına izin verecektir.
SLAC ve Stanford'daki bir profesör olan Zhi-Xun Shen ve araştırmayı yürüten Stanford Malzeme ve Enerji Bilimleri Enstitüsü (SIMES) araştırmacısı “Bu hassas ölçümler bize bu malzemelerin nasıl davrandığına dair derinlemesine bilgi verecektir” dedi.
Olağanüstü Kesinlik 'Filmler'
Ekip, atomik titreşimleri ölçmek için SLAC'ın LCLS'sini ve demir selenide adlı bir malzemedeki elektronların momentumunu ve momentumunu ölçmek için ARPES kullanmıştır. Bu iki tekniği birleştirmek, elektron fonon bağlantılarını olağanüstü bir hassasiyetle gözlemlemelerine izin verdi. Bu, femtosaniyelik bir zaman diliminde (saniyenin milyarda biri) ve insan saçı genişliğinin yaklaşık olarak milyarda biri içinde görüldü.
"Atomik titreşimleri ve elektron hareketlerini kaydetmek için iki kameranın eşdeğerini kullanarak bir 'film' yapabildik ve birbirlerinin üzerine bindirilmiş iki duran dalga gibi aynı anda kıpır kıldıklarını da gösterdik” dedi. Shuolong Yang, Cornell Üniversitesi'nde doktora sonrası araştırmacı.
“Ekranda izleyebileceğiniz görüntülerin sıradan bir filminde bir film değil” dedi. “Ama saniyede 100 trilyon kez çekilen karelerdeki fonon ve elektron hareketlerini yakalar ve film çerçevelerinde olduğu gibi, bunların nasıl birbirine bağlı olduklarına dair tam bir resim elde etmek için yaklaşık 100'ünü birleştirebiliriz.”
Çalıştıkları demir selenide ilginç bir malzemedir. Kaybı olmadan elektriğin gerçekleştirildiği biliniyor, ancak sadece aşırı soğuk sıcaklıklarda ve yerleşik teorilerle bütünüyle açıklanamayacak şekilde; Bu yüzden sıra dışı bir süperiletken denir.
İlgi çekici bir ipucu takip etmek
Ancak beş yıl önce, Çin'deki bir araştırma grubu ilgi çekici bir gözlem bildirdi: Atomik olarak ince bir demir selenit tabakası, ana bileşenleri stronsiyum, titanyum ve oksijen olarak adlandırılan STO adı verilen başka bir malzemenin üzerine konulduğunda, maksimum süper-iletkenlik sıcaklığı atlar. Mutlak sıfırın üstünde 60 derece, ya da eksi 213 santigrat derece. Her ne kadar hala soğuk olsa da, bilim adamlarının beklediğinden çok daha yüksek bir sıcaklık var ve bu, 1986'daki keşiflerinin mükemmel bir şekilde devrim niteliğindeki etkilerden dolayı bir araştırma çığlığı açan “yüksek sıcaklıklı süperiletkenlerin” çalışma aralığı içinde yer alıyor. Verimli elektrik vericileri topluma sahip olabilir.
Bu ipucunun ardından Shen'in grubu, ARPES ile aynı malzeme kombinasyonunu inceledi. Nature'daki bir 2014 makalesinde, STO'daki atomik titreşimlerin demir selenine doğru gittiğini ve elektronlara, kendi başlarına daha yüksek sıcaklıklarda sıfır kayıpla elektrik toplamak ve taşımak için ihtiyaç duydukları ek enerjiyi verdikleri sonucuna vardılar.
Bu, bilim adamlarının, süper iletken bir filmin altındaki substratın doğası gibi bir dizi değişkeni aynı anda değiştirerek daha yüksek maksimum süperiletken sıcaklıklara ulaşabileceklerini ileri sürdü.
Ancak atomik titreşimlerin ve işbirlikçi elektron davranışının bu birleşimi, tek başına demir selenitinde, bir substrattan takviye olmadan gerçekleşebilir mi? Mevcut çalışmanın amacı budur.
Bir Çekiçle Bir Zile Dokunmak gibi
Shen'in ekibi, daha kalın, atomik olarak tekdüze bir demir selenit filmi yaptı ve 5-trilyondan-saniyelik bir atomik titreşimi harekete geçirmek için kızılötesi lazer ışığıyla vurdu - küçük bir çekiçle bir zile hafifçe vurmak, SLAC personel bilimcisi ve ortak yazar Patrick Kirchmann dedi. Bu, film boyunca birbiriyle senkronize olan titreşimleri aldı, böylece daha kolay gözlenebilirlerdi.
Ekip daha sonra malzemenin atomik titreşimlerini ve elektron davranışını iki ayrı deneyde ölçtü. O sırada Stanford mezunu olan Yang, ARPES ölçümüne öncülük etti. Shen'in grubundaki doktora sonrası araştırmacı Simon Gerber, SLAC'de LCLS ölçümlerine öncülük etti; o zamandan beri İsviçre'deki Paul Scherrer Enstitüsünde bir İsviçreli bilim adamı olarak SwissFEL'e katıldı.
Yeni çalışma, atomik ve elektronik titreşimlerin birleştirilmesinin önceki çalışmalarda demir selenitinin süperiletken sıcaklığını arttırmaktan sorumlu olduğunu kanıtlamıyor. Fakat X-ışını lazeri ve ARPES gözlemlerinin birleşimi, aynı anda birkaç faktörün oynadığı malzeme sistemlerinin fiziği hakkında yeni ve daha karmaşık anlayışlar sağlamalı ve umuyoruz ki bu alanı daha hızlı bir şekilde ileriye taşıyacaktır.