Теперь исследователи из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США объединили атомы с несколькими орбиталями и точно определили их распределение электронов. Используя передовые методы дифракции электронов, ученые обнаружили, что орбитальные флуктуации в соединениях на основе железа вызывают сильно связанные поляризации, которые могут усиливать спаривание электронов — важный механизм сверхпроводимости.
Исследование, которое вскоре будет опубликовано в журнале Physical Review Letters, представляет собой революционный метод исследования и улучшения сверхпроводимости в широком спектре новых материалов.Хотя эффект легирования многоорбитального барийного железо-мышьяка — изменение его решающего внешнего электронного счета путем добавления кобальта — отражает появление высокотемпературной сверхпроводимости в более простых системах, сам механизм может быть совершенно другим.
«Теперь теория сверхпроводников может включать доказательства сильной связи между железом и мышьяком в этих плотных взаимодействиях электронного облака», — сказал физик Брукхейвенской лаборатории и соавтор исследования Вейгуо Инь. «Это неожиданное открытие объединяет теорию орбитальных флуктуаций и« экситонную »теорию высокотемпературной сверхпроводимости, которой уже 50 лет, открывая новые горизонты для физики конденсированного состояния».Тренажерный зал Atomic JungleПредставьте себе ребенка, играющего в тренажерном зале в джунглях, продирающегося сквозь отверстия в разноцветной металлической матрице почти так же, как электричество проходит через материалы. Этот ребенок носит мощный магнитный пояс, который отталкивает металлические прутья при подъеме.
Это заставляет решетчатую структуру тренажерного зала в джунглях превращаться в открытый туннель, позволяя ребенку легко скользить по нему. Однако реальным бонусом является то, что это действие привлекает ближайших детей с поясами, которые затем могут проложить этот идеальный путь.Текущее электричество может иметь аналогичный эффект на атомные решетки сверхпроводников, отталкивая отрицательно заряженные валентные электроны в окружающих атомах.
В правильном материале это отталкивание фактически создает положительно заряженный карман, втягивающий в себя другие электроны как часть механизма спаривания, который обеспечивает протекание тока без потерь — так называемый экситонный механизм. Чтобы спроектировать тренажерный зал в атомных джунглях, который деформируется ровно настолько, чтобы образовался канал, ученые прослушивают различные комбинации элементов и настраивают их квантовые свойства.
«Высокотемпературные сверхпроводники из оксида меди или купраты, по сути, содержат одну орбиталь и не обладают достаточной степенью свободы, чтобы приспособиться к достаточно сильным взаимодействиям между электричеством и решеткой», — сказал Инь. «Но барий-железо-мышьяк, который мы тестировали, имеет многоорбитальные электроны, которые толкают и притягивают решетку гораздо более гибкими и сложными способами, например, путем межорбитального перераспределения электронов. Эта особенность особенно многообещающая, потому что электричество может гораздо больше сдвигать электронное облако мышьяка. легче, чем кислород ".
В случае с тренажерным залом в атомных джунглях эта сложность требует новых теоретических моделей и экспериментальных данных, учитывая, что даже простая решетка из стержневых магнитов с севера на юг может превратиться в многомерный танец притяжения и отталкивания. Чтобы контролировать эффекты допинга и поток электричества, ученым требовалось окно в орбитальные взаимодействия.
Отслеживание орбит«Рассмотрите возможность измерения волн, разбивающихся о поверхность океана», — сказал Чжу. «Нам нужно было точно определить эти сложные колебания, не скрывая данные из-за глубокой воды под ними. Волны представляют собой важнейшие электроны на внешних орбитальных оболочках, которые едва отличимы от слоев внутренних электронов. Например, каждый атом бария у одного только 56 электронов, но нас интересуют только два в самом внешнем слое ".
Исследователи из Брукхейвена использовали метод, называемый количественной дифракцией электронов на сходящемся пучке (CBED), чтобы выявить орбитальные облака с субатомной точностью. После того, как электронный луч попадает на образец, он отражается от заряженных частиц, чтобы выявить конфигурацию атомной решетки или точные массивы ядер, вращающихся вокруг электронов. Ученые провели тысячи таких измерений, вычли внутренние электроны и преобразовали данные в вероятности — области в форме шара, где с наибольшей вероятностью будут обнаружены валентные электроны.
Изменяющие форму атомыИсследователи сначала исследовали электронные облака несверхпроводящих образцов бария, железа, мышьяка.
Данные CBED показали, что атомы мышьяка, расположенные над и под железом в форме сэндвича (см. Изображение), демонстрируют небольшой сдвиг или поляризацию валентных электронов.
Однако, когда ученые превратили соединение в сверхпроводник, легировав его кобальтом, распределение электронов радикально изменилось.«Допирование кобальтом выталкивает орбитальные электроны в мышьяке наружу, концентрируя отрицательный заряд на внешней стороне« сэндвича »и создавая положительно заряженный карман ближе к центральному слою железа», — сказал Чжу. «Мы создали очень точное электронное и атомное смещение, которое могло бы фактически поднять критическую температуру этих сверхпроводников».
Инь добавил: «Что действительно интересно, так это то, что эта электронная поляризация демонстрирует сильную связь. Квадрупольная поляризация железа, которая указывает на орбитальную флуктуацию, тесно связана с поляризацией диполя мышьяка — этот механизм может быть ключом к появлению высокотемпературных колебаний. сверхпроводимость в этих соединениях на основе железа. И наши результаты могут помочь при разработке новых материалов ».
В этом исследовании изучались орбитальные флуктуации при комнатной температуре в статических условиях, но в будущих экспериментах будут применены методы динамической дифракции к сверххолодным образцам и изучены альтернативные составы материалов.Экспериментальная работа в Brookhaven Lab была поддержана Управлением науки Министерства энергетики США.
Синтез материалов проводился в Институте физики Китайской академии наук. Среди соавторов исследования Brookhaven Lab также Чао Ма, Лицзюнь Ву и Крис Хоумс.