Znanstveniki najprej preučijo, kako elektroni "plesajo" z vibriranimi atomi

Anonim

Znanstveniki na Ministrstvu za energijo, SLAC National Accelerator Laboratory in Stanford University so naredili prve neposredne meritve in daleč najbolj natančne podatke o tem, kako se elektroni premikajo s sintezo atomskih vibracij, ki se zbujajo skozi eksotični material, kot če bi plesali isti utrip.

Vibracije imenujemo fononi, meritve elektronov in fononov pa so merili 10-krat močnejši, kot je bilo predvideno v teoriji, zaradi česar je dovolj močna, da bi lahko igrala vlogo pri nekonvencionalni superprevodnosti, ki materialom omogoča, da električno energijo vodijo brez izgube pri nepričakovano visokih temperaturah.

Še več, pristop, ki so ga razvili, daje znanstvenikom povsem nov in neposreden način za preučevanje širokega spektra »nastajajočih« materialov, katerih presenetljive lastnosti izhajajo iz kolektivnega ravnanja osnovnih delcev, kot so elektroni. Novi pristop preučuje te materiale samo s poskusi, namesto da se opira na predpostavke, ki temeljijo na teoriji.

Poskusi so bili izvedeni s SLAC-jevim Linac Coherent Light Source (LCLS) rentgenskim rentgenskim laserjem in s tehniko, imenovano fotoemisijska spektroskopija (ARPES), ki je bila izločena s kotom, na Stanfordovem kampusu. Raziskovalci so študijo danes opisali v znanosti.

Pristop "Preboj"

"Menim, da bo ta rezultat imel več vplivov", je dejala Giulia Galli, profesorica na Inštitutu za molekularno inženirstvo Univerze v Chicagu in višji znanstvenik v Nacionalnem laboratoriju Argonne DOE, ki ni sodeloval v študiji.

"Seveda so metodo uporabili za zelo pomemben material, ki ga vsi skušajo razumeti in razumeti, in to je super, " je dejala. "Toda dejstvo, da pokažejo, da lahko merijo elektronsko-fononsko interakcijo, ki je tako pomembna v številnih materialih in fizičnih procesih - to je po mojem mnenju preboja, ki bo utrla pot mnogim drugim poskusom na mnogih drugih materiali. "

Zmožnost merjenja, ki jo je dodala, bo znanstvenikom omogočila, da validirajo teorije in izračune, ki opisujejo in napovedujejo fiziko teh materialov na način, ki ga prej niso mogli storiti.

"Te natančne meritve nam bodo dale globlje vpogled v to, kako se ti materiali obnašajo", je dejal Zhi-Xun Shen, profesor na SLAC in Stanford ter raziskovalec s Stanfordskim inštitutom za materiale in energetiko (SIMES), ki je vodil študijo.

Izredno natančni "filmi"

Ekipa je uporabila SLAC-ov LCLS za merjenje atomskih vibracij in ARPES za merjenje energije in zagona elektronov v materialu, imenovanem železov selenid. Kombinacija teh dveh tehnik jim je omogočila, da opazujejo elektronsko-fononsko sklopitev z izredno natančnostjo, v časovnem obdobju femtosekund, ki je milijonitrna milijarda sekunde, in v približno milijarditni širini človeškega lasja.

"Naredili smo" film "z ekvivalentom dveh kamer za snemanje atomskih vibracij in elektronskih gibanj ter pokazali, da se hkrati obglavita, kot sta dva stoječa valova, ki sta drug drugemu nameščeni", je dejal soavtor Shuolong Yang, podoktorski raziskovalec na Univerzi Cornell.

"To ni film v navadnem smislu slike, ki si ga lahko ogledate na zaslonu, " je dejal. "Toda zajemajo fononske in elektronske premike v okvirih, ki so posneli 100 bilijonov krat na sekundo, in lahko jih skupaj približno 100 skupaj skupaj s filmskimi okviri dobimo popolno sliko o tem, kako so povezani."

Železov selenid, ki so ga preučevali, je radoveden material. Znano je, da elektriko izvaja brez izgube, vendar le pri izredno nizkih temperaturah in na način, ki ga ni mogoče v celoti pojasniti z uveljavljenimi teorijami; zato se imenuje nekonvencionalen superprevodnik.

Prizadevanje za Intriguing Clue

Toda pred petimi leti je raziskovalna skupina na Kitajskem poročala o zanimivem opazovanju: ko se atomsko tanek sloj železovega selenida položi na drug material, imenovan STO, imenovan za svoje primarne sestavine, stroncij, titan in kisik - maksimalna superprevodna temperaturna skokanja od 8 stopinj do 60 stopinj nad absolutno ničlo ali minus 213 stopinj Celzija. Čeprav je to še vedno zelo hladno, je to precej višja temperatura, kot so pričakovali znanstveniki, in spada v področje delovanja tako imenovanih "visokotemperaturnih superprevodnikov", katerih odkritje leta 1986 je zaradi revolucionarnega učinka učinkoviti električni oddajniki bi lahko imeli na družbo.

Po tem pojmu je Shenova skupina preučevala isto kombinacijo materialov z ARPES-om. V dokumentu iz leta 2014 v Natureu so ugotovili, da atomske vibracije v STO potujejo v železovem selenidu in elektrone dajo dodatno energijo, ki jo potrebujejo za parjenje in prenos električne energije z ničelno izgubo pri višjih temperaturah, kot bi jih sami.

To je pokazalo, da bi znanstveniki morda lahko dosegli še višje maksimalne superprevodne temperature s spremembo številnih spremenljivk, kot je narava substrata pod superprevodniškim filmom, vse istočasno.

Toda ali bi lahko to povezovanje atomskih vibracij in sodelovalnega elektronskega vedenja potekalo samo v železovem selenidu, ne da bi prišlo do podlage? To je tisto, kar je želela današnja študija ugotoviti.

Kot tapanje zvonca s kladivom

Shenova ekipa je naredila debelejši, atomsko enakomeren železov selenidni film in jo udaril z infrardečo lasersko svetlobo, da bi vzbudil svoje atomske vibracije v višini 5 trilijonov sekund za sekundo, tako da se je z majhnim kladivom nežno dotaknil zvonca, znanstvenega delavca SLAC in soavtorja Je dejal Patrick Kirchmann. To je povzročilo vibracije, ki se med seboj sinhronizirajo med celotnim filmom, zato jih je mogoče lažje opazovati.

Ekipa je nato v dveh ločenih poskusih merila atomske vibracije in elektronsko obnašanje materiala. Yang, ki je takrat študiral Stanford, je vodil ARPES merjenje. Simon Gerber, podoktorski raziskovalec v skupini Shen, je vodil LCLS meritve na SLAC; od takrat se je pridružil SwissFEL na Inštitutu Paul Scherrer v Švici kot znanstveni delavec.

Nova študija ne dokazuje, da je bila v prejšnjih študijah povezava atomskih in elektronskih vibracij odgovorna za povečanje temperature železovega selenida v superprevodništvu, je dejal Kirchmann. Toda kombinacija rentgenskih laserskih in ARPES opazovanj naj bi zagotovila nove in bolj izpopolnjene vpoglede na fiziko materialnih sistemov, kjer hkrati igrajo več dejavnikov, in upajmo, da se bo polje hitro premaknilo naprej.

menu
menu