Rahvusvaheline teadlaste rühm täheldas Stanfordi Ülikooli SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) keskuse LCLS (Linac Coherent Light Source) valgusallika abil seninägematuid elektronide käitumisi kompleksetes materjalides.
Joonisel on näha teatud nikkeloksiidi laengute ja spinnide vöötstruktuuri,millel on omadus piisavalt madalatel temperatuuride iseorganiseeruda. Muster vastab uuele kvantolekule ja loob mudeli süsteemile, mille abil saavad teadlased uut informatsiooni elektronide omavahelise korelatsiooni ja selle mõju kohta materjali omadustele.Dopeeridud augud (laengukandjad, joonisel tumepunased) paiknevad põhiliselt nikli +3 laenguga aatomitel, mis on joonisel markeeritud heledama punasega. Seda organiseeritust kutsutakse laengujärjestuseks (charge order). Laenguga +2 nikli aatomite (hallid) elektronide spinnid (nooled) on orienteeritud vastassuunas, ehk antiferromagneetiliselt. Spinnjärjestuse periood on kaks korda suurem laengujärjestuse perioodist.
Tulemus on oluline samm edasi nn. tugevalt korrelleeritud materjalide uurimises, mille ebatavalised omadused ja tulevikuhõngulised rakendused põhinevad elektronide kollektiivsel käitumisel. Materjalide tööprintsiipide mõistmisel loodavad teadlased lõppeks modelleerida uusi innovaatilisi materjale, näiteks toatemperatuurseid ülijuhte, mis arendaksid pöördeliselt elektroonikaseadmete tööjõudlust ning efektiivsust.
SLAC teadusdirektori Zhi-Xun Shen ja LBNL (Lawrence Berkeley National Laboratory) teadlase Zahid Hussaini juhtimisel viidi eksperimendid läbi materjaliga, mida kutsutakse vööditud nikelaadiks (striped nickelate). Materjal on nime saanud elektronide laengu ja spinni vööditi vahelduvate piirkondade järgi. Vöötstruktuur annab aluse uuele kvantolekule ja loob mudeli süsteemile, mida teadlased saavad kasutada elektronide omavaheliste korrelatsioonide uurimisel, aga ka nende mõjude selgitamisel materjali omadustele. Artikkel avaldati hiljuti ajakirjas Nature Communications.
Nikelaadi uurimiseks valgustati selle pinda infrapunalaseri kiirgusega, misjärel kaardistati kiirguse mõju LCLS allika intensiivsete röntgenkiirguslaseri femtosekundimpulssidega.
Täheldati, et esialgne infrapunalaseri impulss viis nikelaadi algsest vöötorganiseeritud olekust välja. Kahe järjestikuse impulsi vahelise intervalli peenhäälestusel suudeti jäädvustada vöötstruktuuri taastekkimisest graafilisi kujutisi. Teadlased üllatusid, avastades, et elektronide laengumiinimumide- ja maksimumide asukoha hälbed püsisid kaua isegi pärast vöötide esialgsesse asukohta naasmist. Ekstreemumasukohti oli katses võimalik mõjutada teadlaste endi terminoloogias „faasiga“ (loe lähemalt allikast).
„Materjali omaduste uurimisel on faasifluktuatsioonid väga olulised,“ ütles SLAC füüsik ja artikli üks põhiautoritest Wei-Sheng Lee. „Seni on aga fluktuatsioonide eristamise resolutsioon olnud halb. Meie saavutus, ehk vastava elektronkäitumise jälgimine, tähistab materjaliteaduses uut nurgakivi.“
Sel kuul avaldatud artikkel on viimase kuue kuu arvestuses neljas, mis LCLS projekti optilise ning röntgenlaseri impulsipaari kasutades hapniku ning siirdemetallide, näiteks niklit, vaske, titaani või mangaani kombineerivate materjalide uurimist kajastab. Siirdemetallide oksiididel võivad olla väga huvitavad omadused. Muuhulgas loodetakse, et materjaliklasssis leidub ka kauaotsitud toatemperatuurne ülijuht.
Kuni aastani 1986 töötasid kõik teadaolevad ülijuhid ülimadalatel temperatuuridel, mis piiras nende rakendusvõimalusi. Ent samal aastal avastasid kaks Šveitsi teadlast, saades töö eest aasta hiljem Nobeli füüsika preemia, et vasepõhine oksiid kaotas elektritakistuse juba temperatuuril 32 K. Temperatuur on küll absoluutsele nullile (0 K) lähedal, ent 12 kraadi kõrgem mistahes eelnenud materjalist.
Ülemaailmses uurimislaines leidsid teadlased järgnevatel aastatel tosinate kaupa siirdemetal-oksiidide kõrgtemperatuurseid ülijuhtmaterjale. Paremad leiud muutusid ülijuhtivaks normaalrõhu juures temperatuuril 135 K.
Ent toatemperatuurse ülijuhi arendamise unelm, mis võimaldaks uue põlvkonna hõljukrongide, ülikiirete arvutite ja üliefetiivse elektrijaotsuvõrgu ehitamist, on veel realiseerumata, sest keegi ei oska taoliste materjalide omadusi ega struktuuri ennustada.
„Kui teadlased esmakordselt 26 aastat tagasi neid materjale uurisid, ei olnud neil aimdustki, et taolised probleemid ilmneda võiks,“ ütles Shen. „LCLS võimaldab uue töörista nende probleemide lahendamiseks ning kõrgtemperatuurse ülijuhtivusfenomeni põhjalikumaks seletamiseks.“
Allikas: PhysOrg
Leave a Reply