Колебания называются фононами, а электрон-фононная связь, измеренная исследователями, была в 10 раз сильнее, чем предсказывала теория, что делало ее достаточно сильной, чтобы потенциально играть роль в нетрадиционной сверхпроводимости, которая позволяет материалам проводить электричество без потерь при неожиданно высоких значениях. температуры.Более того, разработанный ими подход дает ученым совершенно новый и прямой способ изучения широкого спектра «возникающих» материалов, удивительные свойства которых возникают в результате коллективного поведения элементарных частиц, таких как электроны. Новый подход исследует эти материалы только с помощью экспериментов, а не полагается на предположения, основанные на теории.Эксперименты проводились с помощью рентгеновского лазера на свободных электронах Linac Coherent Light Source (LCLS) SLAC и с помощью метода, называемого фотоэмиссионной спектроскопией с угловым разрешением (ARPES), в Стэнфордском кампусе.
Исследователи описали исследование сегодня в журнале Science.Подход "прорыва"«Я считаю, что этот результат будет иметь несколько последствий», — сказала Джулия Галли, профессор Института молекулярной инженерии Чикагского университета и старший научный сотрудник Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США, которая не принимала участия в исследовании.«Конечно, они применили этот метод к очень важному материалу, который все пытались разгадать и понять, и это здорово», — сказала она. «Но тот факт, что они показывают, что они могут измерять электрон-фононное взаимодействие, которое так важно для стольких материалов и физических процессов, — я считаю, что это прорыв, который проложит путь ко многим другим экспериментам на многих другие материалы."Она добавила, что возможность проводить это измерение позволит ученым подтверждать теории и вычисления, которые описывают и предсказывают физику этих материалов так, как они никогда раньше не могли.
«Эти прецизионные измерения дадут нам глубокое понимание того, как ведут себя эти материалы», — сказал Чжи-Сюнь Шэнь, профессор SLAC и Стэнфорда и исследователь Стэнфордского института материаловедения и энергетики (SIMES), который руководил исследованием.Чрезвычайно точные "фильмы"
Команда использовала LCLS SLAC для измерения колебаний атомов и ARPES для измерения энергии и импульса электронов в материале, называемом селенидом железа. Сочетание этих двух методов позволило им наблюдать электрон-фононное взаимодействие с необычайной точностью в масштабе фемтосекунд — миллионных долей миллиардной секунды — и в пределах примерно одной миллиардной ширины человеческого волоса.«Мы смогли снять« фильм », используя эквивалент двух камер для записи колебаний атомов и движений электронов, и показать, что они колеблются одновременно, как две стоячие волны, наложенные друг на друга», — сказал соавтор. Шуолонг Ян, научный сотрудник Корнельского университета.
«Это не фильм в обычном понимании изображений, которые можно смотреть на экране», — сказал он. «Но он действительно фиксирует движения фононов и электронов в кадрах, снятых 100 триллионов раз в секунду, и мы можем связать около 100 из них вместе, как кадры фильма, чтобы получить полное представление о том, как они связаны».Изученный ими селенид железа — любопытный материал. Известно, что он проводит электричество без потерь, но только при очень низких температурах, и это не может быть полностью объяснено установленными теориями; поэтому его называют нетрадиционным сверхпроводником.В поисках интригующей разгадки
Но пять лет назад исследовательская группа в Китае сообщила об интригующем наблюдении: когда атомарно тонкий слой селенида железа помещается поверх другого материала под названием STO, названного в честь его основных ингредиентов, стронция, титана и кислорода, достигается максимальная температура сверхпроводимости. перескакивает с 8 градусов на 60 градусов выше абсолютного нуля, или на минус 213 градусов по Цельсию. Хотя это все еще очень холодно, это намного более высокая температура, чем ожидали ученые, и она находится в пределах рабочего диапазона так называемых «высокотемпературных сверхпроводников», открытие которых в 1986 году вызвало бурю исследований из-за революционного воздействия, которое они совершили. эффективные электрические передатчики могли оказать влияние на общество.Следуя этой подсказке, группа Шена исследовала ту же комбинацию материалов с ARPES. В статье 2014 года в Nature они пришли к выводу, что колебания атомов в STO распространяются вверх в селенид железа и дают электронам дополнительную энергию, необходимую им для образования пар и переноса электричества с нулевыми потерями при более высоких температурах, чем в одиночку.
Это говорит о том, что ученые могли бы достичь еще более высоких максимальных сверхпроводящих температур, одновременно изменив ряд переменных, таких как природа подложки под сверхпроводящей пленкой.Но может ли эта связь атомных колебаний и совместного поведения электронов иметь место только в селениде железа, без усиления со стороны подложки? На это и было направлено текущее исследование.
Как стук в колокол молоткомКоманда Шена сделала более толстую, атомарно однородную пленку селенида железа и поразила ее инфракрасным лазерным светом, чтобы возбудить его атомные колебания с частотой 5 триллионов раз в секунду — например, легкое постукивание по колоколу маленьким молотком, научный сотрудник SLAC и соавторы. автор Патрик Кирхманн сказал.
Это позволило синхронизировать колебания друг с другом на протяжении всего фильма, чтобы их было легче наблюдать.Затем команда измерила атомные колебания материала и поведение электронов в двух отдельных экспериментах. Ян, который в то время был аспирантом Стэнфордского университета, возглавил измерение ARPES. Саймон Гербер, научный сотрудник группы Шена, руководил измерениями LCLS в SLAC; С тех пор он присоединился к SwissFEL в Институте Пауля Шеррера в Швейцарии в качестве штатного научного сотрудника.
Новое исследование не доказывает, что связь атомных и электронных колебаний была ответственна за повышение температуры сверхпроводимости селенида железа в предыдущих исследованиях, сказал Кирхманн. Но комбинация рентгеновского лазера и наблюдений ARPES должна дать новое и более сложное понимание физики материальных систем, где одновременно действуют несколько факторов, и, мы надеемся, ускорит развитие этой области.