Вълни на свръхпроводимост и плътност на заряда, уловени да се преплитат в наномащаб


Свръхпроводниците при стайна температура могат да трансформират всичко от електрически мрежи до ускорители на частици до компютри – но преди да могат да бъдат реализирани, изследователите трябва да разберат по-добре как работят съществуващите високотемпературни свръхпроводници.

Сега изследователи от Националната ускорителна лаборатория SLAC на Министерството на енергетиката, Университета на Британска Колумбия, Университета Йейл и други са направили стъпка в тази посока, като изучават бързата динамика на материал, наречен итриев бариев меден оксид или YBCO.

Екипът съобщава на 20 май в наука че YBCO свръхпроводимост се преплита по неочаквани начини с друго явление, известно като вълни с плътност на заряда (CDWs), или вълни в плътността на електроните в материала. Както очакваха изследователите, CDW стават по-силни, когато изключат YBCO свръхпроводимост. Те обаче бяха изненадани да открият, че CDW също изведнъж станаха по-пространствено организирани, което предполага свръхпроводимост някак фундаментално оформя формата на CDWs в наномащаб.

„Голяма част от това, което не знаем, е връзката между вълните на плътността на заряда и свръхпроводимост“, каза Джакомо Козлович, учен в Националната лаборатория за ускоряване на SLAC към Департамента по енергетика, който ръководи изследването. „Като един от най-чистите високотемпературни свръхпроводници, които могат да се отглеждат, YBCO ни предлага възможността да разберем тази физика по много директен начин, минимизирайки ефектите от разстройството.

Той добави: „Ако можем по-добре да разберем тези материали, можем да направим нови свръхпроводници, които работят при по-високи температури, позволявайки много повече приложения и потенциално адресиране на много обществени предизвикателства – от изменението на климата да се енергийна ефективност за наличието на прясна вода.”

Наблюдаване на бърза динамика

Изследователите са изследвали динамиката на YBCO в рентгеновия лазер на SLAC с кохерентен източник на светлина (LCLS). Те се изключиха свръхпроводимост в пробите на YBCO с инфрачервени лазерни импулси и след това отразени рентгенови импулси от тези проби. За всяка снимка на рентгенови лъчи екипът събра един вид моментна снимка на електронните вълни на CDW. Като ги поставиха заедно, те пресъздадоха бързата еволюция на CDW.

„Направихме тези експерименти в LCLS, защото имахме нужда от ултракъси импулси от рентгенови лъчи, които могат да бъдат направени на много малко места по света. Освен това имахме нужда от меки рентгенови лъчи, които имат по-дълги дължини на вълната от типичните рентгенови лъчи, за да открием директно CDW“, каза учен от персонала и съавтор на изследването Джошуа Търнър, който също е изследовател в Станфордския институт за материали и енергия. Науки. „Освен това, хората в LCLS са наистина страхотни за работа.“

Тези LCLS експерименти генерират терабайти данни, предизвикателство за обработка. „Използвайки много часове време за суперкомпютри, учените от LCLS лъчевите линии събраха нашите огромни количества данни в по-управляема форма, така че нашите алгоритми да могат да извлекат характеристиките на характеристиките“, каза MengXing (Ketty) Na, студент и съавтор от Университета на Британска Колумбия. по проекта.

Екипът установи, че вълните на плътността на заряда в пробите YBCO стават по-корелирани – тоест повече електронни вълни са периодични или пространствено синхронизирани – след като лазерите са изключили свръхпроводимост.

„Удвояването на броя на вълните, които са свързани само с проблясък на светлина, е доста забележително, защото светлината обикновено би произвела обратен ефект. Можем да използваме светлината, за да разстроим напълно вълните с плътност на заряда, ако натиснем твърде силно“, каза Кослович.

За да обяснят тези експериментални наблюдения, изследователите след това моделираха как регионите на CDW и свръхпроводимост трябва да взаимодействат, като се имат предвид различни основни предположения за това как работи YBCO. Например, техният първоначален модел предполагаше, че еднаква област на свръхпроводимост когато се изключи със светлина, ще се превърне в еднакъв CDW регион – но разбира се това не е в съгласие с техните резултати.

„Моделът, който най-добре отговаря на нашите данни досега, показва това свръхпроводимост действа като дефект в модела на вълните. Това предполага, че свръхпроводимост и вълните с плътност на заряда обичат да бъдат подредени по много специфичен, наноскопичен начин“, обясни Кослович. “Те са преплетени порядки в скалата на дължината на самите вълни.”

Осветяване на бъдещето

Кослович каза, че може да се обърне свръхпроводимост изключване със светлинни импулси беше значителен напредък, позволяващ наблюдения във времеви мащаб по-малък от една трилионна от секундата, с големи предимства пред предишните подходи.

„Когато използвате други методи, като прилагане на високо магнитно поле, трябва да изчакате дълго време, преди да направите измервания, така че CDW да се пренаредят около разстройството и други явления могат да се случат в пробата“, каза той. „Използването на светлина ни позволи да покажем, че това е присъщ ефект, реална връзка между тях свръхпроводимост и вълни с плътност на заряда.”

Изследователският екип е развълнуван да разшири тази основна работа, каза Търнър. Първо, те искат да проучат как CDW стават по-организирани, когато свръхпроводимост се изключва със светлина. Те също така планират да настроят дължината на вълната или поляризацията на лазера в бъдещи експерименти с LCLS с надеждата също да използват светлина, за да подобрят, вместо да гасят, свръхпроводящото състояние, така че да могат лесно да изключват и включват свръхпроводящото състояние.

„Има общ интерес да се опитаме да направим това с импулси от светлина в много бързи времеви мащаби, защото това потенциално може да доведе до разработването на свръхпроводящи, управлявани от светлина устройства за новото поколение електроника и компютри“, каза Кослович. “В крайна сметка тази работа може да помогне и на хората, които се опитват да изградят свръхпроводници със стайна температура.”

Това изследване е част от сътрудничество между изследователи от LCLS, SLAC’s Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL), UBC, Yale University, Institut National de la Recherche Scientifique в Канада, North Carolina State University, Universita Cattolica di Brescia и други институции. Тази работа е финансирана отчасти от Службата за наука на DOE. LCLS и SSRL са потребителски съоръжения на DOE Office of Science.

Статията е предоставена с любезното съдействие на Министерството на енергетиката на САЩ (DOE), SLAC Национална ускорителна лаборатория

 


Реклама


Оценявате оригиналността на CleanTechnica? Помислете да станете а Член на CleanTechnica, поддръжник, техник или посланик — или покровител на Патреон.

 

Имате съвет за CleanTechnica, искате да рекламирате или искате да предложите гост за нашия подкаст CleanTech Talk? Свържете се с нас тук.