Reduktionsmiddel kontrollerer doping i cuprat-superleder

En ny måde at finjustere sammensætningen af ​​kobberoxidbaserede superledere kunne kaste mere lys over deres grundlæggende egenskaber - herunder den mekanisme, der er ansvarlig for deres højtemperatursuperledning. Teknikken involverer opvarmning af superlederne i forskellige tidsrum og producerer prøver, der er dopet på forskellige niveauer ved at ændre deres iltindhold. Typen af ​​doping kan endda omdannes fra hul-doteret til elektron-dopet – en ændring, der ikke var mulig med tidligere dopingmetoder.

Den klassiske (eller BCS) teori om superledning siger, at de fermioniske elektroner i et metal under en vis kritisk temperatur parrer sig med hjælp fra gittervibrationer for at skabe bosoner kaldet Cooper-par. Disse bosoner danner et fasekohærent kondensat, der kan strømme gennem et materiale uden at sprede sig - med superledningsevne som en konsekvens.

BCS-teori forklarer dog ikke superledningsevnen af ​​ukonventionelle superledere såsom kobberoxider (cuprater), pnictider og andre eksotiske superledere. Mens modstanden af ​​et metal normalt falder, når materialet afkøles, oplever mange af disse ukonventionelle superledere en dramatisk ændring i deres elektroniske båndstruktur, der får deres modstand til at falde ved temperaturer over den kritiske temperatur T_c. Denne ændring er kendt som en pseudogap, og den kan forekomme, fordi elektroner danner par (selvom ikke et superledende kondensat) ved temperaturer over den kritiske temperatur.

Fra hul- til elektron-doteret

I det nye arbejde har et team ledet af Hong Ding af Beijing National Laboratory for Condensed Matter Physics og Institut for Fysik ved Det Kinesiske Videnskabsakademi studeret en typisk huldopet cuprat-superleder med den kemiske formel Bi₂Sr₂CaCu₂O_{8 + δ} (Bi2212). Dopingen i dette materiale er hovedsageligt bestemt af dets oxygenindhold, og konventionelle dopingteknikker kan bruges til at regulere dets hul-dopingniveau.

I deres eksperimenter placerede Ding og kolleger prøver af Bi2212 i et kvartsrør, der indeholdt pulveriseret CaH₂, som er et stærkt reduktionsmiddel. De pumpede derefter røret til vakuum og opvarmede det til en fast temperatur med en rørovn. De holdt prøven ved denne temperatur i forskellige tidsrum. Denne proces, kendt som annealing, styrer dopingniveauet i Bi2212.

"Under udglødningen kommer brinten fra CaH₂ kombineres med ilt i Bi2212 og danner vanddamp,” forklarer Ding. "Vi fandt ud af, at CaH₂ er meget effektiv til at ændre kobberets valens i Bi2212."

Den nye metode til doping gjorde det muligt for dem at ændre iltindholdet i superlederen over et meget bredere område, end det tidligere var muligt, og endda skifte det fra at være hul-doteret til elektron-doteret. Og det er ikke alt: Forskerne siger, at de også har fundet beviser for en lavtemperatur-superledende fase i det elektron-doterede materiale.

Ved hjælp af en kombination af røntgendiffraktion, scanningstransmissionselektronmikroskopi og målinger af modstand og Hall-effekten bekræftede forskerne, at den topokemiske reaktion i ovnen er effektiv til at ændre iltindholdet i Bi2212. Transportanalyser med ultralav temperatur ved hjælp af et fortyndingskøleskab, som kan nå så lavt som 10 mK, afslørede også en skarp overgang til en nul-modstandstilstand (indikerende superledningsevne) ved omkring 1.4 K i prøverne, der var elektron-dopet.

I fremtidigt arbejde siger holdet, at det vil udføre ARPES- og STM-målinger på disse dopede Bi2212-prøver for at finde ud af, hvordan materialets båndstruktur, Fermi-overflade, superledende mellemrum og pseudogap udvikler sig. "Disse undersøgelser vil forhåbentlig give os mulighed for bedre at forstå høj-T_c superledere generelt,” fortæller Ding Fysik verden.

Nærværende arbejde er detaljeret i Kinesiske fysik bogstaver.