Исследователи Брукхейвенской лаборатории зафиксировали распределение нескольких орбитальных электронов, чтобы помочь объяснить появление сверхпроводимости в материалах на основе железа. Вооруженные правильным атомным расположением, сверхпроводники позволяют электричеству течь без потерь и радикально улучшают производство, доставку и хранение энергии. Ученые корректируют эти рецепты сверхпроводников, заменяя элементы или манипулируя валентными электронами в самой внешней орбитальной оболочке атома, чтобы достичь идеального баланса проводимости. Большинство высокотемпературных сверхпроводников содержат атомы с ударной характеристикой только на одной орбите, но как насчет того, чтобы смешать эти элементы с более сложными конфигурациями?
Теперь исследователи из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США объединили атомы с несколькими орбиталями и точно определили их электронное распределение. Используя передовые методы электронной дифракции, ученые обнаружили, что орбитальные флуктуации в соединениях на основе железа вызывают сильно связанные поляризации, которые могут усиливать спаривание электронов - важный механизм сверхпроводимости. Исследование, которое скоро будет опубликовано в журнале Physical Review Letters, представляет собой революционный метод исследования и улучшения сверхпроводимости в широком диапазоне новых материалов.
В то время как эффект легирования многоорбитального бария-железа-мышьяка - настройка его важного внешнего числа электронов 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 взаимодействиях плотных электронных облаков», - сказал физик Брукхейвенской лаборатории и соавтор исследования Вейгуо Инь. «Это неожиданное открытие объединяет как теорию орбитальных флуктуаций, так и «экситонную» теорию высокотемпературной сверхпроводимости 50-летней давности, открывая новые горизонты в физике конденсированного состояния».
Спортзал Atomic Jungle
Представьте себе ребенка, играющего в спортивном зале в стиле джунглей, плетущего сквозь отверстия в разноцветной металлической матрице почти так же, как электричество проходит через материалы. Этот конкретный ребенок носит мощный магнитный пояс, который отталкивает металлические прутья, когда она карабкается. Это приводит к тому, что решетчатая структура тренажерного зала для джунглей превращается в открытый туннель, позволяя ребенку легко скользить по нему. Настоящим бонусом, однако, является то, что это действие привлекает всех ближайших детей с поясом, 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, втягивая 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 сформировать канал, ученые прослушивают различные комбинации элементов и настраивают их квантовые свойства.
«Высокотемпературные сверхпроводники на основе оксида меди, или купраты, фактически содержат единственную орбиталь и не имеют достаточной степени свободы, чтобы приспособиться к достаточно сильным взаимодействиям между электричеством и решеткой», - сказал Инь. «Но протестированный нами барий-железо-мышьяк имеет многоорбитальные электроны, которые толкают и тянут решетку гораздо более гибкими и сложными способами, например, путем межорбитального перераспределения электронов. Эта особенность особенно многообещающа, потому что электричество может перемещать электронное облако мышьяка гораздо легче, чем облако кислорода».
В случае с тренажерным залом в атомных джунглях эта сложность требует новых теоретических моделей и экспериментальных данных, учитывая, что даже простая решетка, состоящая из стержневых магнитов север-юг, может стать многомерным танцем притяжения и отталкивания. Чтобы контролировать эффекты допинга и потоки 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 флуктуации, не скрывая данные из-за глубокой воды под ними. Волны представляют собой важнейшие электроны во внешних орбитальных оболочках, которые едва отличимы от слоев внутренних электронов. Например, каждый атом бария один имеет 56 электронов, но нас интересуют только два в самом внешнем слое."
Брукхейвенские исследователи использовали технику, называемую количественной дифракцией электронов сходящимся пучком (CBED), чтобы выявить орбитальные облака с субатомной точностью. После того, как электронный луч попадает на образец, он отражается от заряженных частиц, чтобы показать конфигурацию атомной решетки или точные массивы ядер, вокруг которых вращаются электроны. Ученые провели тысячи таких измерений, вычли внутренние электроны и преобразовали данные в вероятности - области в форме воздушного шара, где с наибольшей вероятностью могут быть найдены валентные электроны.
Атомы, меняющие форму
Исследователи впервые исследовали электронные облака несверхпроводящих образцов железо-мышьяка бария. 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.
«Легирование кобальтом выталкивало орбитальные электроны в мышьяке наружу, концентрируя отрицательный заряд на внешней стороне «бутерброда» и создавая положительно заряженный карман ближе к центральному слою железа», - сказал Чжу. «Мы создали очень точное смещение электронов и атомов, которое может привести к повышению критической температуры этих сверхпроводников».
Добавил Инь: «Что действительно интересно, так это то, что эта электронная поляризация демонстрирует сильную связь. Квадрупольная поляризация железа, которая указывает на орбитальную флуктуацию, тесно связана с дипольной поляризацией мышьяка - этот механизм может быть ключом к появлению высокотемпературной сверхпроводимости в этих соединениях на основе железа. И наши результаты могут помочь в 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 Брукхейвенской лаборатории поддерживалась Управлением науки Министерства энергетики США. Синтез материалов был проведен в Институте физики Китайской академии наук. Среди соавторов исследования Brookhaven Lab также Чао Ма, Лицзюнь Ву и Крис Хоумс.