När vi studerar superledare är de hittills alla kalla. Mycket kallt. Vi pratar om tillräckligt kallt för att göra gaser till vätskor. Detta är en djup fråga eftersom det inte är lätt att generera dessa kylda material och begränsar superledarens tillämpningar. Vi vill kunna ha rörlighet och skala med all ny teknik, och de nuvarande superledarna tillåter inte det. Framstegen med att göra varmare superledare har varit långsamma. 1986 fann Georg Bednorz och K. Alex Muller superledare som arbetar på över 100 grader Celsius under rumstemperatur, men det är fortfarande alldeles för kallt för våra ändamål. Det vi vill ha är högtemperatur-superledare, men de presenterar sina egna unika utmaningar (Wolchover Breakthrough ).

Superledarmönster

De flesta högtemperatursupraledare är cuprates, en sprött keramik som har alternerande skikt av koppar och syre med en del material emellan. För rekordet stöter elektronstrukturerna i syre och koppar varandra. Kraftigt. Deras strukturer passar inte bra. Men när de har kylts till en viss temperatur slutar de elektronerna plötsligt att slåss mot varandra och börjar para ihop sig och agera som en boson, vilket underlättar de rätta förhållandena för att leda elektricitet enkelt. Tryckvågor uppmuntrar elektronerna att följa en väg som underlättar en parad av dem, om du vill. Så länge det förblir svalt, kommer en ström som går igenom det att fortsätta för evigt (Ibid).

Men för cuprates kan detta beteende fortsätta upp till -113 o Celsius, vilket borde ligga långt utanför tryckvågens omfattning. Vissa krafter förutom tryckvågorna måste uppmuntra de superledande egenskaperna. 2002 fann forskare från University of California i Berkley att laddningsvågor reste genom superledaren när de undersökte strömmarna som gick genom cupraten. Att ha dem minskar supraledningsförmågan, eftersom de orsakar en de-koherens som hämmar det elektronflödet. Laddningstäthetsvågorna är benägna att magnetfält, så forskare resonerade att med tanke på de högra magnetfälten kan superledningen öka genom att sänka dessa vågor. Men varför bildades vågorna i första hand? (Ibid)

Density Waves |

Svaret är förvånansvärt komplicerat och involverar kupratens geometri. Man kan se strukturen hos en kuprat som en kopparatom med syreatomer som omger den på + y-axeln och + x-axeln. Elektronladdningarna är inte jämnt fördelade i dessa grupperingar utan kan grupperas på + y-axeln och ibland vid + x-axeln. Som en övergripande struktur går, orsakar detta olika tätheter (med platser som saknar elektroner kända som hål) och bildar ett "d-våg" -mönster som resulterar i de laddningstäthetsvågor som forskarna såg (Ibid).

Ett liknande d-vågmönster uppstår från en kvantegenskap som kallas antiferromagnetism. Detta involverar spinnorientering av elektronerna som går i en vertikal orientering men aldrig i en diagonal. Parningar följer på grund av de komplementära snurrarna, och när det visar sig kan de antiferromagnetiska d-vågorna korreleras med laddningsd-vågorna. Det är redan känt för att uppmuntra den supraledningsförmåga vi ser, så denna antiferromagnetism är knuten till både att främja superledningen och hämma den (Ibid).

Fysik är bara så freakin fantastisk.

Strängteorin

Men högtemperatursupraledare är också differentierade från sina kallare motsvarigheter av nivån på kvantförvirring de upplever. Det är mycket högt i de varmare, vilket gör kresne egenskaper utmanande. Det är så extremt att det har betecknats som en kvantfasförändring, en något liknande idé som materiefasförändringar. En del faser innefattar metaller och isolatorer. Och nu skiljer man högtemperatur superledare tillräckligt från de andra faserna för att garantera sin egen etikett. Att förstå förvirringen bakom fasen är utmanande på grund av antalet elektroner i systemet - biljoner. Men en plats som kan hjälpa till med detta är gränspunkten där temperaturen blir för hög för att de superledande egenskaperna ska äga rum. Denna gränspunkt, den kvantkritiska punkten, bildar en konstig metall, ett dåligt förstått material i sig själv eftersom det misslyckas med många kvasipartikelmodeller som används för att förklara de andra faserna. För Subir Sachdev tittade han på tillståndet med konstiga metaller och fann en koppling till strängteorin, den fantastiska men lågresultatfysiska teorin. Han använde dess beskrivning av strängmatad kvantförvirring med partiklar, och antalet anslutningar i det är obegränsat. Det erbjuder en ram för att beskriva intrasslingsproblemet och därmed hjälpa till att definiera gränsen för den konstiga metallen (Harnett).

Kvantfasdiagrammet. |

Hitta den kvantekritiska punkten

Detta begrepp om en region där kvantivt en del fasförändring inträffade inspirerade Nicolas Doiron-Leyraud, Louis Taillefer och Sven Badoux (alla vid University of Cherbrooke i Kanada) för att undersöka var detta skulle vara med kupaterna. I deras cuprate-fasdiagram placeras "rena, oförändrade cuprate-kristaller" på vänster sida och har isolerande egenskaper. Kupraterna som har olika elektronstrukturer till höger fungerar som metaller. De flesta diagram har temperaturen i Kelvin plottade mot hålkonfigurationen för elektroner i kupatet. Det visar sig att funktioner i algebra spelas in när vi vill tolka grafen. Det är tydligt att en linjär, negativ linje verkar dela de två sidorna. Att utöka denna linje till x-axeln ger oss en rot som teoretiker förutspår kommer att vara vår kvantkritiska punkt i superledarregionen, runt absolut noll. Att undersöka denna punkt har varit utmanande eftersom materialen som används för att komma till den temperaturen uppvisar superledande aktivitet, för båda faserna. Forskare behövde på något sätt lugna ner elektronerna så att de kunde förlänga de olika faserna längre ner på linjen (Wolchover "The").

Som nämnts tidigare kan magnetfält störa elektronpar i en superledare. Med en tillräckligt stor, kan fastigheten minska enormt, och det är vad teamet från Cherbrooke gjorde. De använde en 90-tesla magnet från LNCMI i Toulouse, som använder 600 kondensatorer för att dumpa en enorm magnetisk våg i en liten spiral gjord av koppar och Zylonfiber (ett ganska starkt material) i cirka 10 millisekunder. Det testade materialet var en speciell kuprat känd som yttrium barium kopparoxid som hade fyra olika elektronhålskonfigurationer som sträckte sig runt den kritiska punkten. De kyldes ner till minus 223 Celsius skickade sedan in magnetvågorna, upphängde de superledande egenskaperna och tittade på hålbeteendet. Forskare såg intressanta fenomen hända: Kupratet började svängas som om elektronema var instabila - redo att ändra sin konfiguration när som helst. Men om man närmade sig punkten från ett annat sätt dog fluktuationerna snabbt ner. Och platsen för denna snabba förskjutning? Nära den förväntade kvantkritiska punkten. Detta stöder antiferromagnetism som en pådrivande kraft, eftersom de minskande fluktuationerna pekar på snurrarna som står i linje när man närmar sig den punkten. Om vi ​​närmar oss punkten från ett annat sätt, ställer de inte upp och staplar upp i ökande fluktuationer (Ibid).