Forskere får første direkte titt på hvordan elektroner danser med vibrerende atomer

Anonim

Forskere ved Department of Energy SLAC National Accelerator Laboratory og Stanford University har gjort de første direkte målinger, og langt de mest nøyaktige, av hvordan elektroner beveger seg i synkronisering med atomvibrasjoner som krøller gjennom et eksotisk materiale, som om de danset til samme takt.

Vibrasjonene kalles fononer, og elektronfononkoblingen av de målte forskerne var 10 ganger sterkere enn teorien hadde spådd, noe som gjorde den sterk nok til potensielt å spille en rolle i ukonvensjonell superledningsevne, noe som gjør det mulig for materialer å lede strøm uten tap ved uventede høye temperaturer .

Dessuten har tilnærmingen de utviklet, gitt forskere en helt ny og direkte måte å studere et bredt spekter av "fremvoksende" materialer hvis overraskende egenskaper kommer fra den kollektive oppførelsen av fundamentale partikler, som elektroner. Den nye tilnærmingen undersøker disse materialene gjennom eksperimenter alene, i stedet for å stole på forutsetninger basert på teori.

Forsøkene ble utført med SLACs Linac Coherent Light Source (LCLS) røntgenfri-elektronlaser og med en teknikk som kalles vinkeloppløst fotoemissionsspektroskopi (ARPES) på Stanford campus. Forskerne beskrev studien i dag i Science.

Et "gjennombrudd" tilnærming

«Jeg tror dette resultatet vil ha flere innflytelser, » sa Giulia Galli, professor ved University of Chicagos institutt for molekylærteknologi og seniorforsker ved DOEs Argonne National Laboratory som ikke var involvert i studien.

"Selvfølgelig har de brukt metoden til et svært viktig materiale, en som alle har prøvd å finne ut og forstå, og det er flott, " sa hun. "Men det faktum at de viser at de er i stand til å måle elektronfononinteraksjonen, som er så viktig i så mange materialer og fysiske prosesser, dette tror jeg er et gjennombrudd som vil bane vei til mange andre eksperimenter på mange andre materialer."

Evnen til å gjøre denne måling, la hun til, vil tillate forskere å validere teorier og beregninger som beskriver og forutsier fysikken til disse materialene på en måte som de aldri kunne gjøre før.

"Disse presisjonsmålingene vil gi oss dyp innsikt i hvordan disse materialene oppfører seg, " sa Zhi-Xun Shen, professor ved SLAC og Stanford og etterforsker ved Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) som ledet studien.

Ekstraordinært presise "filmer"

Laget brukte SLACs LCLS til å måle atomvibrasjoner og ARPES for å måle energi og momentum i elektroner i et materiale som kalles jern selenid. Kombinere de to teknikkene tillot dem å observere elektron-fononkobling med ekstraordinær presisjon, på en timescale på femtosekunder-milliontedeler av en milliarddel av et sekund - og innenfor omtrent en milliarddel av bredden av et menneskehår.

"Vi var i stand til å lage en film, " ved å bruke tilsvarende to kameraer for å registrere atomvibrasjoner og elektronbevegelser, og vise at de vri på samme tid, som to stående bølger overlagd på hverandre, "sa medforfatter Shuolong Yang, en postdoktoral forsker ved Cornell University.

"Det er ikke en film i vanlig følelse av bilder du kan se på en skjerm, " sa han. "Men det fanger fonon- og elektronbevegelsene i rammer skutt 100 billioner ganger per sekund, og vi kan snøre om lag 100 av dem sammen, akkurat som filmrammer for å få et fullstendig bilde av hvordan de er koblet."

Iron seleniden de studerte er et nysgjerrig materiale. Det er kjent å lede strøm uten tap, men bare ved ekstremt kalde temperaturer, og på en måte som ikke kan forklares fullt ut av etablerte teorier; Derfor kalles det en ukonvensjonell superleder.

Forfølge en spennende ledetråd

Men for fem år siden rapporterte en forskergruppe i Kina en spennende observasjon: Når et atomtyndt lag av jern selenid settes på toppen av et annet materiale som kalles STO-navn for sine primære ingredienser strontium, titan og oksygen, hopper den maksimale superledende temperaturen fra 8 grader til 60 grader over absolutt null, eller minus 213 grader Celsius. Selv om det fortsatt er veldig kaldt, er det en mye høyere temperatur enn forskerne forventet, og det faller innenfor driftsområdet for såkalte "høytemperatur superledere", hvis oppdagelse i 1986 satte på seg en frenzy av forskning på grunn av den revolusjonerende effekten disse perfekt effektive elektriske sendere kunne ha på samfunnet.

Etter å ha fulgt denne anledningen, undersøkte Shens gruppe samme kombinasjon av materialer med ARPES. I et 2014-papir i Nature konkluderte de at atomvibrasjoner i STO går opp i jernseleniden og gir elektroner den ekstra energien de trenger for å koble sammen og bære strøm med nulltap ved høyere temperaturer enn de ville på egen hånd.

Dette antydet at forskere kunne oppnå enda høyere maksimale superledende temperaturer ved å endre et antall variabler, som for eksempel substratets natur under en superledende film, alt på samme tid.

Men kan denne koblingen av atomvibrasjoner og samvirkende elektronadferd også finne sted i jern selenid alene, uten et løft fra et substrat? Det var det nåværende studien hadde til hensikt å finne ut.

Liker å trykke en bjelke med en hammer

Shen team laget en tykkere, atomisk jevn jern selenidfilm og slo den med infrarødt laserlys for å spenge sine 5-trillion-ganger-en-sekunds atomvibrasjoner som å forsiktig tappe en klokke med en liten hammer, SLAC-stabsforsker og medforfatter Patrick Kirchmann sa. Dette fikk vibrasjonene til å synkronisere med hverandre gjennom filmen, slik at de lettere kunne observeres.

Laget målte deretter materialets atomvibrasjoner og elektronoppførsel i to separate eksperimenter. Yang, som var en Stanford-kandidatstudent på den tiden, førte ARPES-måling. Simon Gerber, en postdoktoralforsker i Shen-gruppen, ledet LCLS-målingene ved SLAC; Han har siden sluttet seg til SwissFEL på Paul Scherrer Institute i Sveits som en stabforsker.

Den nye studien viser ikke at koblingen av atomiske og elektroniske vibrasjoner var ansvarlig for å øke jernselenidens superledende temperatur i de tidligere studiene, sa Kirchmann. Men kombinasjonen av røntgen laser og ARPES observasjoner skal gi nye og mer sofistikerte innsikt i fysikken til materielle systemer der flere faktorer er i gang samtidig, og forhåpentligvis beveger feltet fremover raskere.

menu
menu