Колебания называют фононами и сцеплением электронного фонона, измеренные исследователи были в 10 раз более сильными, чем теория предсказала – создание его достаточно сильный, чтобы потенциально играть роль в нетрадиционной сверхпроводимости, которая позволяет материалам проводить электричество без потери при неожиданно высоких температурах.Кроме того, подход, который они развивали, дает ученым абсолютно новый и прямой способ изучить широкий спектр материалов «на стадии становления», удивительные свойства которых появляются из коллективного поведения элементарных частиц, таких как электроны. Новый подход исследует эти материалы посредством одних только экспериментов, вместо того, чтобы полагаться на предположения на основе теории.Эксперименты были выполнены с лазером на свободных электронах рентгена Linac Coherent Light Source (LCLS) SLAC и с техникой, названной решенной углом фотоэмиссионной спектроскопией (ARPES) в Стэнфордском кампусе.
Исследователи описали исследование сегодня в Науке.’Впечатляющий’ подход«Я полагаю, что у этого результата будет несколько воздействий», сказала Джулия Галли, преподаватель в Институте Чикагского университета Молекулярного Технического и старшего научного сотрудника из Национальной лаборатории Аргонна САМКИ, который не был вовлечен в исследование.
«Конечно, они применили метод к очень важному материалу, тот, который все пытались выяснить и понять, и здорово», сказала она. «Но то, что они показывают, что в состоянии измерить взаимодействие электронного фонона, которое так важно в таком количестве материалов и физических процессов – это, я верю, является прорывом, который проложит путь ко многим другим экспериментам на многих других материалах».Способность сделать это измерение, она добавила, позволит ученым утверждать теории и вычисления, которые описывают и предсказывают физику этих материалов способом, они так и не смогли сделать прежде.«Эти измерения точности дадут нам глубоко понимание того, как эти материалы ведут себя», сказал Чжи-Сюнь Шэнь, преподаватель в SLAC и Стэнфорде и следователе со Стэнфордским Институтом Материалов и энергетических Наук (SIMES), кто привел исследование.Чрезвычайно Точные ‘фильмы’
Команда использовала LCLS SLAC, чтобы измерить атомные колебания и ARPES, чтобы измерить энергию и импульс электронов в материале, названном железным селенидом. Объединение этих двух методов позволило им наблюдать сцепление электронного фонона с экстраординарной точностью на временных рамках фемтосекунд – миллионных частях одной миллиардной секунды – и в примерно одной миллиардной ширины человеческих волос.«Мы смогли сделать ‘фильм’, используя эквивалент двух камер, чтобы сделать запись атомных колебаний и электронных движений, и показать, что они шевелятся в то же время, как две постоянных волны, нанесенные друг на друга», сказал соавтор Шуолонг Янг, постдокторский исследователь в Корнелльском университете.
«Это не фильм в обычном смысле изображений, которые Вы можете наблюдать на экране», сказал он. «Но это действительно захватывает фонон, и электронные движения в структурах стреляли 100 триллионов раз в секунду, и мы можем натянуть приблизительно 100 из них вместе точно так же, как структуры фильма, чтобы получить полную картину того, как они связаны».Железный селенид, который они изучили, является любопытным материалом. Это, как известно, проводит электричество без потери, но только при чрезвычайно низких температурах, и способом который не мог быть полностью объяснен установленными теориями; вот почему это назвало нетрадиционный сверхпроводник.Преследование интригующей подсказки
Но пять лет назад, исследовательская группа в Китае сообщила об интригующем наблюдении: Когда атомарно тонкий слой железного селенида помещен сверху другого материала под названием STO – названный по имени его первичного стронция компонентов, титана и кислорода – его максимальная температура сверхпроводимости спрыгивает с 8 градусов до 60 градусов выше абсолютного нуля, или минус 213 градусов Цельсия. Хотя это все еще действительно холодно, это – намного более высокая температура, чем ученые ожидали, и это находится в пределах операционного диапазона так называемых «высокотемпературных сверхпроводников», открытие которых в 1986 выделило безумство исследования из-за революционного влияния, которое эти совершенно эффективные электрические передатчики могли оказать на общество.Развитие этой подсказки, группа Шена исследовала ту же самую комбинацию материалов с ARPES.
В статье 2014 года по своей природе, они пришли к заключению, что атомные колебания в путешествии STO в железный селенид и дают электронам дополнительную энергию, которую они должны разделить на пары и нести электричество с нулевой потерей при более высоких температурах, чем они были бы самостоятельно.Это предположило, что ученые могли бы быть в состоянии достигнуть еще более высоких максимальных температур сверхпроводимости, заменяя много переменных, таких как природа основания ниже фильма сверхпроводимости, все в то же время.
Но мог это сцепление атомных колебаний и совместного электронного поведения также происходит в одном только железном селениде без повышения от основания? Это – то, что текущее исследование стремилось узнавать.Как укол Bell With молотокКоманда Шена сделала более толстый, атомарно однородный железный фильм селенида и поразила его инфракрасным лазерным светом, чтобы взволновать его 5 триллионов раз в секунду, атомные колебания – как нежный укол звонка с небольшим молотком, научным сотрудником SLAC и соавтором Патриком Кирчманом сказали.
Это получило колебания, колеблющиеся в синхронизации друг с другом всюду по фильму, таким образом, они могли более легко наблюдаться.Команда тогда измерила атомные колебания материала и электронное поведение в двух отдельных экспериментах. Ян, кто был Стэнфордским аспирантом в то время, проводил измерение ARPES.
Саймон Гербер, постдокторский исследователь в группе Шена, привел измерения LCLS в SLAC; он с тех пор присоединился к SwissFEL в Институте Пола Шеррера в Швейцарии как научный сотрудник.Новое исследование не доказывает, что сцепление атомных и электронных колебаний было ответственно за повышение железной температуры сверхпроводимости селенида в предыдущих исследованиях, сказал Кирхман.
Но комбинация лазера рентгена и наблюдений ARPES должна обеспечить новое и более сложное понимание на физике материальных систем, где несколько факторов приведены в действие в то же время, и надо надеяться продвигают область быстрее.