Maddenin yeni ve sıra dışı fazı, yüksek sıcaklıkta süper iletkenliğe ışık tutabilir

Anonim

Maddenin yeni ve sıra dışı fazı, yüksek sıcaklıkta süper iletkenliğe ışık tutabilir

Fizik

Colin Jeffrey

28 Ekim 2015

Üreticinin yeni faz fazının gözlemlendiği Sr2IrO4 kristalinde çok kutuplu düzenin yorumlanması (Kredi: Liuyan Zhao)

California Institute of Technology'de (Caltech) çalışan fizikçiler, daha önce hiç dikkate alınmamış yeni işlevlere sahip yenilikçi elektronik cihazların yaratıldığını görebilen oldukça sıra dışı bir elektron düzenlemesi ile yeni bir madde fazı keşfettiler. Geleneksel bir metal, bir izolatör veya bir mıknatıs türü olarak ölçülemeyen bu daha önce bilinmeyen durum, "yüksek sıcaklık " süperiletkenliği alanında bir dizi temel soruyu cevaplamaya da yardımcı olabilir.

Geçtiğimiz günlerde Caltech ekibinin geliştirdiği lazer tabanlı bir ölçüm tekniğini test ederken yapılan bir şans keşif, roman fazı ne öngörülmüş ne de sonradan aranıyordu. Daha ziyade, enstrüman okumalarında sadece "multipolar düzen" olarak bilinen bir fenomene bakarken ortaya çıktı.

Çok kutuplu düzen araştırmasında bilim adamları, bir kristal içindeki pozisyonları ve spin durumları bakımından bilinen elektron gözlemleriyle başlar. Konumla ilgili olarak, belirli koşullara maruz kalan elektronların, bir malzemenin içinde düzenli, tekrarlanan bir şekilde sıralanması, bir şarj emri fazı olarak adlandırılanın yaratılması bilinmektedir. Bu tür bir sıralı elektron düzenlemesi, sayısal bir değer veya yükün büyüklüğü olarak tarif edilebilen bir skaler niceliktir.

İkinci öznitelikte, bu aynı elektronların spinleri birbirine paralel hale geldiğinde, her elektron tarafından üretilen dakika kuvvetleri, bir ferromanyet oluşturmak için bulundukları malzemeye toplu olarak uygulanır. Bu tür elektron düzeneği, spin büyüklüğü ve yönü ile karakterize edilir, bu nedenle, bu spin-order fazı, bir vektör ile tarif edilir.

Bununla birlikte, bilim adamları, kendilerinin merak ettikleri şey olmakla birlikte, bu standart, sıralı devletler onları diğer olası madde durumları hakkında varsayımlara yönlendirdi. Yani, eğer elektronlar bilinenlere farklı şekillerde dizilebilirse? Bu, sadece skaler ve vektör özellikleriyle değil, bir matriste etkileşim gibi boyutun diğer yönleriyle ilişkilendirilen madde fikrine yol açmıştır.

Bu tür bir hipotez, örneğin, söz konusu maddenin kurucu bileşenlerinin, karşıt dönüşlü elektron çiftleriyle oluşturulabileceği fikridir. Yani, bir kuzey / güney kutuplaşma ve bir güney / kuzey kutuplaşma ile bir matematiksel olarak ve bir kuadrupol olarak (bu tür elektrik yüklerinin birbiriyle yakından ve değişken polarite ile düzenlenmiş bir dağılımı) resmedilmiştir.

Malzemelerdeki bu çok kutuplu düzeni araştırmak için araştırma ekibi, optik harmonik üretimi olarak bilinen bir fenomenden faydalandı. Esas olarak, bu, ana frekansın tam sayı katlarının üretildiği tüm elektromanyetik frekanslarda (bu durumda ışık) meydana gelen olgudur. Bunun nedeni, belli bir rengin sıradan ışık kullanan temel bir frekansta bir sinüs dalgası olarak üretilebilmesine rağmen, aynı zamanda farklı frekanslarda (renkler) neredeyse her zaman diğer daha düşük seviyelerde ışık da içerir.

Araştırmacılar, gözlem altında bir kristal malzemenin simetrisindeki değişikliklere karşılık olarak harmonik mukavemet değişikliklerini araştırmak için deneylerinde bu özelliği kullanmışlardır. Çok kutuplu sıralama, simetrinin nispeten kolay bir şekilde tespit edilebilen çok spesifik şekillerde değiştiğinden, ekip, bir malzemenin optik harmonik cevabının, çok kutuplu düzeni tanımlayan bir parmak izi türü olarak hareket edebileceği fikrine oturdu.

"İkinci harmonik frekansa yansıyan ışığın bilinen kristal yapısından tamamen farklı bir simetri kümesi ortaya çıkardığını bulduk, oysa bu etki temel frekansta yansıyan ışık için tamamen eksikti, " diyor yardımcı doçent David Hsieh Caltech araştırma ekibi keşiften sorumlu. "Bu, belirli bir çok kutuplu sipariş türünün çok net bir parmak izi. "

Spesifik olarak, analiz edilen bileşik, genellikle iridat olarak bilinen bir sentetik bileşik sınıfına ait olan bir amalgam olan stronsiyum-iridyum oksit (Sr 2 Ir04) idi. Bakır oksit bazlı bileşikler (cupratlar) ile benzerlik göz önüne alındığında, Sr 2 IrO 4 son yıllarda fizik topluluğuna çok fazla ilgi konusu olmuştur. Bunun nedeni, kaplumbağaların süper iletkenliği "yüksek" sıcaklıklarda görüntüleyen tek bilinen malzeme grubunu temsil etmesidir; Yani, 100 ° Kelvin'i aşan (-173 ° C, -279.4 ° F).

Iridatlar ve çömlekler benzer olduklarından, elektronlar eklendikçe veya elektronlar eklendikçe ("doping" olarak bilinir) çıkarıldıklarında yüksek derecede metalikliğe doğru yükselen elektriksel olarak izole edici antiferromıknatıslar gibi özellikler sergilerler. Yeterince dopingli elektron seviyesi, yeterli miktarda cupratı değiştirebilir. yüksek sıcaklıklı süperiletkenler olmaları ve bu duruma ulaşma yolunda, çömlekçiler bir yalıtkan fazdan bir süper iletkene doğru hareket etmelidir. Bu geçişte, ilk önce pseudogap adı verilen bir fazdan geçmeleri gerekir, ancak henüz tam olarak anlaşılmamış bir nedenden ötürü, daha fazla elektronun materyalden sıyrılabilmesi için ekstra enerjinin uygulanması gerekir.

Son çalışmalarda, benzer bir psödogap fazı da Sr 2 Ir04'te görülmüştür ve Caltech araştırmacıları, kategorize ettikleri çok kutuplu düzenin psödogapın bulunduğu doping miktarlarında ve sıcaklık seviyelerinde olduğunu keşfetmişlerdir. Yine de, iki fenomenin tam olarak örtüşüp örtüşmediğini araştırmaktan dolayı, deneyler şu ana kadar aralarındaki bağlantıya işaret ediyor.

Hsieh, "Aynı grup, Sr 2 IrO 4'te süper iletkenlik göstergelerini, cupratlarda bulunanla aynı çeşitlilikte gösteren çok yakın bir zamanda da gösteriyor" dedi. "Iridatlar ve cupratların benzer fenomenolojileri göz önüne alındığında, belki de iridatlar, psödogap ve yüksek sıcaklık süperiletkenliği arasındaki ilişki hakkında uzun süredir devam eden tartışmaların bazılarını çözmemize yardımcı olacaktır. "

Malzemede keşfedilen yeni faz durumu daha iyi anlaşılabilir ve sömürülebilirse, daha yüksek sıcaklıklarda çalışabilen süperiletkenlerin (belki de oda sıcaklığına bile yaklaşabilir), yeni elektron akış yollarına sahip yarı iletkenlerin ve elektronik cihazların kullanılmasına yol açabilir. henüz keşfedilmemiş özellikler.

Bu araştırmanın sonuçları yakın zamanda Nature Physics dergisinde yayınlandı.

Kaynak: Caltech

Üreticinin yeni faz fazının gözlemlendiği Sr2IrO4 kristalinde çok kutuplu düzenin yorumlanması (Kredi: Liuyan Zhao)