Nytt experiment belyser mekanism bakom högtemperatursupraledare

I supraledare paras elektroner ihop i så kallade Cooper-par. Hur detta sker i högtemperatur-supraledare har länge varit ett mysterium. Forskare vid Stockholms universitet presenterar i senaste numret av Nature Communications en ny typ av experiment som belyser frågan.

Högtemperatursupraledning har varit ett hett forskningsområde allt sedan kopparoxid-baserade supraledare upptäcktes i mitten på 80-talet. Innan dess trodde många att det mesta var förstått när det gällde supraledning. I konventionella supraledare gittervibrationer (fononer) klistrar ihop två elektroner med motsatta spin och rörelsemängden till Cooper-par. Även i högtemperatursupraledare paras elektronerna, men det är fortfarande inte känt hur. Genom en ny typ av icke-jämviktsspektroskopi har nu tre forskare i gruppen experimentell kondenserade materiens fysik på Fysikum vid Stockholms universitet funnit ett nytt sätt att belysa frågan.

– Det här experimentet har vi planerat mycket länge. I motsats till konventionell tunnelspektroskopi studerar vi inte en-elektron strömmen genom provet, utan undersöker direkt de genererade icke-jämvikts bosoner som är ansvariga för Cooper-par bildning, säger professor Vladimir Krasnov. 

Bosonerna som studeras genereras genom att låta elektroner, med något högre energi än de skulle ha haft i jämvikt, paras ihop till Cooper-par. När detta sker förs överskottsenergin bort med de bosoner som medverkar i parbildningen. Experimentet visar att de klister-bosoner som binder samman elektronerna till Cooper-par i högtemperatursupraledare rör sig mycket snabbare än gittervibrationer.

– Vi finner väl definierade bosoner som bär en tydlig spektroskopisk information om det supraledande energigapet. Bosonerna sönderfaller på ett avstånd i storleksordningen några mikrometer. Tillsammans med en livstid på några pikosekunder ger det bosonerna en utbredningshastighet av 1000 km/s, vilken överensstämmer med elektronernas (Fermi) hastighet och är mer än två storleksordningar snabbare än ljudhastigheten med vilken gittervibrationer breder sig ut. Således, är det inte fononer som orsakar Cooper-par bildning, utan någon slags rent elektroniska vågor, säger Vladimir Krasnov.

– Vi använder intrinsiska Josephson-övergångar, byggda i den kristallina strukturen hos den lagrade Bi-2212 kopparoxid-supraledaren för generering och detektering. Experimentet är relativt enkelt att utföra, men Sven-Olof Katterwe kämpade nog ganska mycket i renrummet här på AlbaNova för att få till bra prover, säger docent Andreas Rydh, universitetslektor och medförfattare till artikeln.

Än så länge finns frågan om vilka elektroniska bosoner som medverkar i högtemperatursupraledning. Det kan vara elektrontäthetsvågor (plasmoner) eller spinvågor (magnoner). Det är nog klart att det inte är fononer, som i vanliga lågtemperatursupraledare. Med det nya sättet att studera klistret med vilket elektronerna paras ihop i högtemperatursupraledare kan viktiga pusselbitar läggas.

– Detta ger ett första direkt och otvetydigt bevis på delaktighet av okonventionell elektron-elektron parbildningsmekanism hos de kopparoxid-baserade supraledarna, i motsats till elektron-fonon mekanismen i vanliga supraledare. Denna slutsats har en stor betydelse för upptäckten av nya högtemperatursupraledare, säger Vladimir Krasnov.

Artikelns titel: Signatures of the electronic nature of pairing in high-T_c superconductors obtained by nonequilibrium boson spectroscopy

För ytterligare information

Vladimir Krasnov, professor i Experimentell kondenserade materiens fysik, Fysikum, Stockholms universitet, tfn 08-5537 8606, e-post vladimir.krasnov@fysik.su.se