Illustration av strange metal-tillstånd
På den vänstra sidan av illustrationen ses kopparoxid-planen i materialet yttriumbariumkopparoxid (YBCO) när de är i ”strange metal”-fasen. Den starka interaktionen mellan elektroner, kvantsammanflätningen, är illustrerad som ljusblixtar. På den högra sidan visas samma plan när laddningsdensitetsvågorna syns. Systemets symmetri reduceras då genom lokala moduleringar av de ledande elektronerna, vilket orsakar nedbrytningen av ”strange metal”-fasen.
Illustration: ​Yen Strandqvist.

Ännu märkligare "strange metal" i högtemperatursupraledare

​Forskare från Chalmers har upptäckt ett nytt, förbluffande beteende hos "strange metal"-tillståndet i högtemperaturssupraledare. Upptäckten är en viktig pusselbit för att förstå dessa material, och resultaten har publicerats i den prestigefyllda tidskriften Science.
​Så kallad supraledning, där en elektrisk ström transporteras utan några energiförluster, har en enorm potential för många olika applikationer, exempelvis grön teknik. Om den kan fås att fungera vid tillräckligt höga temperaturer kan supraledningen möjliggöra till exempel effektiva transporter av förnybar energi över stora avstånd. Det nuvarande temperaturrekordet ligger på -130 grader Celsius, en temperatur som vid en första anblick kanske inte verkar vara hög, men som ska jämföras med vanliga supraledare som fungerar i temperaturer under -230 grader Celsius.

I dag är kunskaperna om vanlig supraledning goda, men inom högtemperaturssupraledning finns fortfarande gåtor som väntar på en lösning, och det kan forskningen bidra med. Den nyligen publicerade forskningen fokuserar på den egenskap där förståelsen är lägst – det så kallade "strange metal”-tillståndet – som förekommer vid temperaturer högre än de som möjliggör supraledning.

– ”Strange metal” är onekligen ett passande namn, då de här materialen verkligen beter sig på ett mycket ovanligt sätt, och det är något av ett mysterium bland forskare. Vårt arbete ger en ny förståelse för fenomenet. Genom nya experiment har vi fått fram viktig ny information om hur ”strange metal”-tillståndet fungerar, säger Floriana Lombardi, professor vid institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap på Chalmers.

Tros bygga på ”spöklik” kvantsammanflätning

”Strange metal”-tillståndet fick sitt namn eftersom metallens beteende när den leder elektricitet är alldeles för enkelt vid en första anblick. I en vanlig metall påverkar många olika processer det elektriska motståndet – elektroner kan kollidera med atomerna i materialet, med föroreningar eller med sig själva, och varje process har ett unikt temperaturberoende. Detta innebär att det totala motståndet blir en komplicerad funktion av temperaturen. I skarp kontrast till detta är motståndet för ”strange metals” en linjär funktion av temperaturen, vilket innebär en rak linje från de lägsta uppnåeliga temperaturerna upp till där materialet smälter.

– Ett så enkelt beteende ser ut att kräva en enkel förklaring baserad på en kraftfull princip, och för denna typ av kvantmaterial tros principen vara kvantsammanflätning, säger Ulf Gran, biträdande professor vid institutionen för fysik på Chalmers.

Kvantsammanflätning är vad Einstein kallade "spooky action at a distance" och beskriver ett sätt för elektroner att interagera som inte har någon motsvarighet i klassisk fysik. För att förklara egenskaperna hos ”strange metal”- tillståndet måste alla elektroner vara sammanflätade med varandra. Det leder till en röra av elektroner där enskilda partiklar inte längre kan urskiljas, och som utgör en helt ny form av materia.

Utforskar kopplingen till laddningsdensitetsvågor

Det viktigaste fyndet i forskningsartikeln är att forskarna upptäckte vad som i praktiken slår ut ”strange metal”-tillståndet. I högtemperaturssupraledare uppstår laddningsdensitetsvågor (Charge Density Waves, CDW). De är krusningar av elektrisk laddning som genereras av elektronerna i materialets atomstruktur när ”strange metal”-fasen bryts ner. För att utforska denna koppling sattes prov i nanostorlek av den supraledande metallen yttrium-barium-kopparoxid (YBCO) under dragspänning för att hålla tillbaka laddningsdensitetsvågorna. Detta ledde då till att ”strange metal”-tillståndet återkom. Genom att dra i metallen på detta sätt kunde forskarna alltså expandera ”strange metal”-tillståndet till den region som tidigare dominerades av CDW – vilket därmed gjorde den ”konstiga metallen” ännu konstigare.

– De högsta temperaturerna för de supraledande övergångarna har observerats när ”strange metal”- fasen är mer markant. Att förstå denna nya fas av materia är därför av yttersta vikt för att kunna konstruera nya material som uppvisar supraledning vid ännu högre temperaturer, förklarar Floriana Lombardi.

Forskarnas arbete indikerar ett nära samband mellan uppkomsten av laddningsdensitetsvågor och nedbrytningen av ”strange metal”-tillståndet – en potentiellt viktig ledtråd för att förstå det senare fenomenet. Upptäckten kan utgöra ett av de tydligaste bevisen för när kvantmekaniska principer manifesteras på makroskopiska skalor. Resultaten tyder också på en lovande ny forskningsväg, att med hjälp av dragspänning manipulera kvantmaterial.

Artikeln ”Restored strange metal phase through suppression of charge density waves in underdoped YBa2Cu3O7–δ’ " finns nu tillgänglig i den ledande vetenskapliga tidskriften Science. Bakom resultaten står Eric Wahlberg, Riccardo Arpaia, Edoardo Trabaldo, Ulf Gran, Thilo Bauch och Floriana Lombardi från Chalmers tekniska högskolay, i samarbete med forskare från Politecnico di Milano, University La Sapienza, Brandenburg University of Technology och European Synchrotron facility (ESRF).

För mer information, kontakta:

Floriana Lombardi, professor, kvantkomponentfysik, institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap, Chalmers tekniska högskola, floriana.lombardi@chalmers.se,  031-772 33 18.
 
Ulf Gran, biträdande professor, avdelningen för subatomär, högenergi- och plasmafysik, institutionen för fysik, Chalmers tekniska högskola, ulf.gran@chalmers.se, 031-772 31 82.

Text: Joshua Worth
Illustration: Yen Strandqvist
Gruppfoto: Ananthu Surendran

Sidansvarig Publicerad: to 28 okt 2021.