Bu resimde, bir bakır oksit süper iletkenin kristal kafesini oluşturan atomların (mavi küreler) konumları, bir elektronik yük dağılımı haritası üzerinde üst üste bindirilmiş olarak gösterilmektedir (sarı, yüksek yük yoğunluğu, koyu noktalardır) düşük) ücret sıralı durumlarda. Normalde, atomlar yan yana titreşebilir (gölgeler titreşirken ortalama konumları temsil eder). Ancak merdiven benzeri yük yoğunluğu dalgasının göründüğü noktaya kadar soğutulduğunda, atomik konumlar “basamaklar” boyunca kayar ve titreşimler durarak atomları yerlerine kilitler. Bu şarj sıralı durumları anlamak, bilim adamlarının daha düşük sıcaklıklarda süper iletkenliği tetikleyen diğer etkileşimlerin kilidini açmasına yardımcı olabilir. Kredi: Brookhaven Ulusal Laboratuvarı
Hassas ölçümler, süper iletken bir bakır oksit malzemesinin yük sıralı hallerinde elektron yoğunluğu ile atomik düzenlemeler arasındaki bağlantıyı ortaya koyuyor.
Araştırmacılar Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’nda bazı atomik titreşimlerin kaybolması ile süper iletken bakır oksit malzemelerde bir “yük yoğunluğu dalgasının” ortaya çıkması arasında doğrudan bir bağlantı keşfettiler. Hassas ölçüm yoluyla elde edilen bu keşif, atomik yapı ile yük dağılımı arasındaki hayati ilişkiyi ortaya çıkararak süperiletkenlik anlayışımızı ilerletiyor.
Bazı malzemelerin direnç olmadan akım taşımasını sağlayan nedir? Bilim adamları karmaşık özellikleri çözmeye çalışıyorlar. Süperiletkenlik olarak bilinen bu özellikten yararlanmak, mükemmel verimli elektrik hatlarına, ultra hızlı bilgisayarlara ve bir dizi enerji tasarrufu ilerlemesine yol açabilir. Bu malzemeleri süper iletken olmadıklarında anlamak, bu potansiyeli açığa çıkarma arayışının önemli bir parçasıdır.
“Sorunu çözmek için, bu malzemelerin birçok aşamasını anlamamız gerekiyor,” dedi Kazuhiro Fujita, ABD Enerji Bakanlığı’nın Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’nın Yoğun Madde Fiziği ve Malzeme Bilimi Bölümü’nde fizikçi. 17 Mayıs’ta Physical Review X’te yayınlanan yeni bir çalışmada Fujita ve meslektaşları, bir bakır oksit süper iletkenin süper iletken fazıyla bir arada var olan bir fazda gözlemlenen tuhaflığa bir açıklama bulmaya çalıştı.
Anormallik malzemenin kristal kafesini oluşturan atomlardan titreşim enerjisinin gizemli bir şekilde kaybolmasıydı. Fujita, “X-ışınları, atomların belirli şekillerde titreştiğini gösteriyor” dedi. Ancak, röntgen çalışmaları malzeme soğurken titreşimlerin bir modunun durduğunu gösterdi.
Kazuhiro Fujita (solda) ve Brookhaven Lab ortak yazarları Brookhaven Laboratuvarı’nın Yoğun Madde Fiziği ve Malzeme Bilimi Bölümü’nün tüm üyeleri olan Genda Gu ve John Tranquada, bu çalışmada kullanılan spektroskopik görüntüleme taramalı tünelleme mikroskobunun (SI-STM) önünde. Kredi: Brookhaven Ulusal Laboratuvarı
“Çalışmamız, neler olup bittiğini anlayıp anlayamayacağımızı görmek için bu malzemenin kafes yapısı ile elektronik yapısı arasındaki ilişkiyi araştırdı,” dedi Fujita.
{ 6}Brookhaven ekibi, spektroskopik görüntüleme taramalı tünelleme mikroskobu (SI-STM) adı verilen bir araç kullandı. Katmanlı malzemenin yüzeyini metrenin trilyonda biri hassasiyetle tarayarak, atomların haritasını çıkarıp aralarındaki mesafeleri ölçebilir ve aynı anda her atomik ölçekli konumdaki elektrik yükünü ölçebilirler.
ölçümler, atomlar titreştiğinde ortalama konumlarını alacak kadar hassastı ve titreşimler durduğunda bu konumların nasıl değiştiğini ve yerlerine kilitlendiğini gösterdi. Ayrıca, anormal titreşimsel kaybolmanın, malzemedeki yük yoğunluğunun modüler bir dağılımı olan bir “yük yoğunluğu dalgasının” ortaya çıkmasıyla doğrudan bağlantılı olduğunu da gösterdiler.
Yük yoğunluk dalgasını oluşturan elektronlar lokalizedir, yani sabit konumlardadır ve Fujita, sonunda süper iletken fazda akımı taşıyan daha hareketli elektronlardan ayrıdır, diye açıkladı. Bu lokalize elektronlar, yan yana uzanan merdivenler olarak görselleştirilebilen daha yüksek ve daha düşük yoğunluklarda tekrar eden bir model oluşturur (şemaya bakın). Atomların normal titreşimlerini bozan ve “basamaklar” doğrultusunda konumlarını değiştiren şey, bu modelin görünümüdür.
“Sıcaklık düştükçe ve yük yoğunluk dalgası (CDW) ortaya çıktıkça, Titreşim enerjisi azalır,” dedi Fujita. “Hem yük dağılımını hem de atomik yapıyı aynı anda ölçerek, CDW’nin ortaya çıkmasının atomları nasıl yerlerine kilitlediğini görebilirsiniz.”
“Bu sonuç, atomlar titreşirken yük yoğunluğu dalgasının atomlarla etkileşime girdiğini ima ediyor. kafes ve kafesi söndürür. Titreşimleri durdurur ve kafesi bozar,” dedi Fujita.
Yani bu, süper iletken bir malzemenin bir fazının özelliklerinden ikisinin nasıl bir araya geldiğine dair bir ipucu daha. Ancak bu gelecek vaat eden malzemelerle ilgili daha keşfedilecek çok şey var, dedi Fujita.
“Pek çok değişken var. Elektronlar ve kafes sadece ikisidir. Bu malzemeleri gerçekten anlamak için tüm bunları ve birbirleriyle nasıl etkileşim kurduklarını dikkate almalıyız” dedi.
Bu çalışmada kullanılan spektroskopik görüntüleme taramalı tünelleme mikroskobu (SI-STM) Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’nda eğitim. Kredi: Brookhaven Ulusal Laboratuvarı
Hassas atomik ve elektronik tarama
Bu çalışmada kullanılan spektroskopik görüntüleme taramalı tünelleme mikroskobu (SI-STM), kendisinden tamamen izole edilerek olağanüstü kesinliğine ulaşır. çevre. Brookhaven kampüsündeki Disiplinlerarası Bilim Binasının temelinden ayrı olarak zemine sabitlenmiş titreşim yastıklamalı yaylar üzerinde “yüzen” bir beton küpün içine yerleştirilmiştir. Elektromanyetik olarak yalıtkan bir Faraday kafesi, ses yalıtımlı köpük ve üç katmanlı kapılar, her türlü dış titreşime karşı tam koruma sağlar.
“Herhangi bir dış titreşim varsa, bu, deneyi sonlandıracaktır,” dedi Fujita. “Deneyi doğru bir şekilde gerçekleştirmek için titreşim yalıtımına ihtiyacımız var.”
Ölçüm yaparken, numunenin üzerinde yaklaşık bir angstrom (metrenin on milyarda biri veya yaklaşık bir metrenin çapı) uzaklıkta bir iğne asılı kalır. atom – ama yüzeye dokunmadan. Değişken voltajların uygulanması, elektronların numuneden uca tünellemesine (veya atlamasına) izin vererek bir akım oluşturur. Her bir konumdaki akımın gücü, malzemenin elektron yoğunluğunun haritasını çıkarırken eşzamanlı spektroskopik görüntüleme, örneğin atomik konumlar ve safsızlıklar ile kusurların neden olduğu varyasyonlar dahil olmak üzere, örneğin topografik özelliklerini yakalar.
Referans: “Periyodik Atomik Yer Değiştirmeler ve Görselleştirme the Electron-Lattice Interaction in the Cuprate” yazan Zengyi Du, Hui Li, Genda Gu, Abhay N. Pasupathy, John M. Tranquada ve Kazuhiro Fujita, 17 Mayıs 2023, Physical Review X.
DOI: 10.1103/ PhysRevX.13.021025
Bu çalışma, DOE Office of Science (BES) tarafından desteklenmiştir.