Die Wissenschaftler sehen zunächst direkt, wie Elektronen mit schwingenden Atomen "tanzen"

PHYSIK IM THEATER: Die Materie-Antimaterie-Asymmetrie im Universum (27.04.2018) (April 2019).

Anonim

Wissenschaftler am SLAC National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums und der Stanford University haben die ersten direkten und mit Abstand präzisesten Messungen durchgeführt, wie sich Elektronen synchron mit atomaren Schwingungen bewegen, die durch ein exotisches Material vibrieren, als tanzten sie in die Erde gleicher Beat.

Die Schwingungen werden Phononen genannt, und die von den Forschern gemessene Elektron-Phonon-Kopplung war zehnmal stärker als die Theorie vorhergesagt hatte. Sie ist stark genug, um möglicherweise eine Rolle in der unkonventionellen Supraleitung zu spielen, die Materialien bei unerwartet hohen Temperaturen verlustfrei leitet.

Der von ihnen entwickelte Ansatz eröffnet Wissenschaftlern eine völlig neue und direkte Möglichkeit, eine Vielzahl von "emergenten" Materialien zu untersuchen, deren überraschende Eigenschaften sich aus dem kollektiven Verhalten fundamentaler Teilchen wie Elektronen ergeben. Der neue Ansatz untersucht diese Materialien nur durch Experimente, anstatt sich auf Annahmen zu stützen, die auf der Theorie basieren.

Die Experimente wurden mit dem Röntgen-Freie-Elektronen-Laser Linac Coherent Light Source (LCLS) von SLAC und mit einer Technik namens winkelaufgelöste Photoemissionsspektroskopie (ARPES) auf dem Stanford-Campus durchgeführt. Die Forscher beschrieben die Studie heute in Science.

Ein "Durchbruch" -Ansatz

"Ich glaube, dass dieses Ergebnis mehrere Auswirkungen haben wird", sagte Giulia Galli, Professorin am Institut für Molecular Engineering der University of Chicago und leitende Wissenschaftlerin am Argonne National Laboratory des DOE, die nicht an der Studie beteiligt war.

"Natürlich haben sie die Methode auf ein sehr wichtiges Material angewendet, eines, das alle versucht haben, herauszufinden und zu verstehen, und das ist großartig", sagte sie. "Aber die Tatsache, dass sie zeigen, dass sie in der Lage sind, die Elektron-Phonon-Wechselwirkung zu messen, die in so vielen Materialien und physikalischen Prozessen so wichtig ist, ist ein Durchbruch, der den Weg zu vielen anderen Experimenten ebnen wird Materialien. "

Die Fähigkeit, diese Messung zu machen, fügte sie hinzu, wird es Wissenschaftlern erlauben, Theorien und Berechnungen zu validieren, die die Physik dieser Materialien auf eine Weise beschreiben und vorhersagen, wie sie es zuvor nie konnten.

"Diese Präzisionsmessungen werden uns tiefe Einblicke in die Funktionsweise dieser Materialien geben", sagte Zhi-Xun Shen, Professor am SLAC und Stanford und Forscher am Stanford Institut für Materialien und Energiewissenschaften (SIMES), der die Studie leitete.

Außergewöhnlich präzise Filme

Das Team verwendete SLACs LCLS, um atomare Schwingungen und ARPES zu messen, um die Energie und den Impuls von Elektronen in einem Material namens Eisenselenid zu messen. Durch die Kombination der beiden Techniken konnten sie die Elektron-Phonon-Kopplung mit außerordentlicher Präzision beobachten, auf einer Zeitskala von Femtosekunden - Millionstel einer Milliardstel Sekunde - und in etwa einem Milliardstel der Breite eines menschlichen Haares.

"Wir konnten einen" Film "machen, indem wir das Äquivalent von zwei Kameras nutzten, um die atomaren Schwingungen und Elektronenbewegungen aufzuzeichnen und zu zeigen, dass sie gleichzeitig wackeln, wie zwei stehende Wellen, die einander überlagern", sagte Co-Autor Shuolong Yang, Postdoc an der Cornell University.

"Es ist kein Film im gewöhnlichen Sinne von Bildern, die man auf einem Bildschirm sehen kann", sagte er. "Aber es erfasst die Phonon- und Elektronenbewegungen in Bildern, die 100 Billionen Mal pro Sekunde aufgenommen wurden, und wir können etwa 100 von ihnen zusammen wie Filmrahmen aneinanderreihen, um ein vollständiges Bild davon zu erhalten, wie sie miteinander verbunden sind."

Das von ihnen untersuchte Eisenselenid ist ein merkwürdiges Material. Es ist bekannt, Elektrizität ohne Verlust zu leiten, aber nur bei extrem niedrigen Temperaturen und auf eine Weise, die nicht vollständig durch etablierte Theorien erklärt werden konnte; deshalb nennt man das einen unkonventionellen Supraleiter.

Verfolgen eines faszinierenden Hinweises

Aber vor fünf Jahren berichtete eine Forschungsgruppe in China von einer faszinierenden Beobachtung: Wenn eine atomar dünne Schicht aus Eisenselenid auf ein anderes Material namens STO - benannt nach den Hauptbestandteilen Strontium, Titan und Sauerstoff - aufgebracht wird, steigt ihre maximale Supraleitungstemperatur ab 8 Grad bis 60 Grad über dem absoluten Nullpunkt oder minus 213 Grad Celsius. Obwohl es immer noch sehr kalt ist, ist es eine viel höhere Temperatur als von den Wissenschaftlern erwartet, und es fällt in den Betriebsbereich der sogenannten "Hochtemperatur-Supraleiter", deren Entdeckung im Jahr 1986 aufgrund ihrer revolutionären Wirkung einen Forschungsrausch auslöste effiziente elektrische Sender könnten auf die Gesellschaft haben.

Nach diesem Hinweis untersuchte Shens Gruppe die gleiche Kombination von Materialien mit ARPES. In einer 2014 erschienenen Arbeit in Nature kamen sie zu dem Schluss, dass Atomschwingungen im STO in das Eisenselenid wandern und Elektronen die zusätzliche Energie geben, die sie benötigen, um bei höheren Temperaturen Elektrizität ohne Verluste zu transportieren, als sie es selbst tun würden.

Dies legte nahe, dass Wissenschaftler möglicherweise sogar höhere Supraleitungstemperaturen erreichen könnten, indem sie eine Anzahl von Variablen, wie zum Beispiel die Art des Substrats unter einem supraleitenden Film, gleichzeitig ändern.

Aber könnte diese Kopplung von atomaren Schwingungen und kollaborativem Elektronenverhalten auch in Eisenselenid allein stattfinden, ohne dass ein Substrat aufsteigt? Das wollte die aktuelle Studie herausfinden.

Wie eine Glocke mit einem Hammer klopfen

Shens Team machte einen dickeren, atomar einheitlichen Eisenselenidfilm und traf ihn mit Infrarotlaserlicht, um seine 5 Billionen Mal pro Sekunde atomaren Schwingungen anzuregen - wie sanftes Klopfen mit einem kleinen Hammer, SLAC-Wissenschaftler und Co-Autor Patrick Kirchmann sagte. Dadurch wurden die Schwingungen im gesamten Film synchron zueinander oszilliert, so dass sie leichter beobachtet werden konnten.

Das Team hat dann die Atomschwingungen und das Elektronenverhalten des Materials in zwei getrennten Experimenten gemessen. Yang, der zu dieser Zeit Stanford-Student war, leitete die ARPES-Messung. Simon Gerber, ein Postdoc in Shens Gruppe, leitete die LCLS-Messungen bei SLAC; Seither ist er als wissenschaftlicher Mitarbeiter am SwissFEL am Paul Scherrer Institut in der Schweiz tätig.

Die neue Studie beweist nicht, dass die Kopplung von atomaren und elektronischen Schwingungen für die Erhöhung der Supraleitungstemperatur von Eisenselenid in den früheren Studien verantwortlich war, sagte Kirchmann. Die Kombination von Röntgenlaser- und ARPES-Beobachtungen sollte jedoch neue und differenziertere Einblicke in die Physik materieller Systeme liefern, bei denen mehrere Faktoren gleichzeitig im Spiel sind und das Feld hoffentlich schneller voranbringen.

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