Çizgili görünümlü elektron delikleri

Şarj taşıyıcıları, kendilerini yüksek sıcaklık süper iletken YBCO'da şerit şeklinde düzenlerler.

Elektronik sıvı kristalde, spin uyarımları bu karakteristik uzun nötron kırınım modelini üretir. © Vladimir Hinkov / Max Planck Katı Hal Araştırma Enstitüsü
Yüksek sesle okuma

Sıvı kristaller, ekranları dizüstü bilgisayarlara ve dijital kameralara sığacak kadar düz hale getirir. Ancak, elektronların yüksek sıcaklıktaki bir süper iletkende nasıl davrandığı için de model olarak hizmet etmeleri gerekir. Bilim adamları şimdi bu modelin doğru olduğunu deneysel olarak kanıtladılar. Verilerinin ilginç bir yorumu "strip model" adı verilen çerçevede sunulmaktadır. Bundan sonra, yük taşıyıcılar, elektrik ilettikleri şerit şeklinde alanlar ve elektrik iletmedikleri alanlar oluşturur.

Bir sıvı kristalin molekülleri gibi, bu uzatılmış alanlar, Stuttgart bilim dergisindeki Science'ta bulunan Max Planck Katı Hal Araştırmaları Enstitüsü'nün araştırmacılarına göre, birbirine göre kayabilir, ancak tercihen paralel olarak hizalanabilir. Fizikçiler için bu davranış özellikle ilgi çekicidir çünkü elektronların yanyana iletken ve yalıtıcı bir şekilde kendilerini geçirebilecekleri bir durumu temsil eder.

Dünyayı siyah beyaz olarak boyamak kolaydır, ancak nadiren gerçeği karşılar. Örneğin fizikçiler, metalleri akım ileten elektronlar içinde serbestçe hareket edebilecekleri bir göl oluşturduğunu düşünmeyi severler. Bir yalıtkanda tüm elektronlar buna karşı sabitlenir. Her iki model de bazı maddeleri çok iyi tanımlamaktadır. Örneğin, bakır ve gümüş çok iyi elektrik iletir, çünkü elektronları yalnızca bir giriş ve çıkış ile beslenmesi gereken bir gölde yüzer.

Tersine, çoğu plastik yalıtkandır çünkü tüm elektronları kimyasal bağlara sabitlenir. Bununla birlikte, birçok madde iki modelden herhangi biriyle gerçek anlamda tanımlanamaz - örneğin, yüksek sıcaklıktaki süper iletken itriyum baryum bakır oksit veya kısaca YBCO.

Birkaç katmanlı seramik

YBCO bir seramiktir ve bakır ve oksijenden yapılmış olanlar dahil çeşitli katmanlara sahiptir. Akım YBCO'yu normal sıcaklıklarda olduğu kadar saf bakırda da, belli bir sıcaklığın altında - ideal olarak eksi 180 derece Santigrat'ın altında - yapmaz, ancak tüm direncini kaybeder ve gücü kayıpsız olarak iletir. Bu sıcaklığın altındaki ve altındaki yük taşıyıcılarla taşınır - YBCO'da bunlar pozitif yüklü elektron delikleridir - bakır ve oksijen katmanlarından akar. ekran

2 a) Bir ferromanette, mikroskobik çubuk mıknatıslar olarak düşünülen dönüşler paralel olarak yönlendirilir. b) Bir antiferromagnet içerisinde spinlerin antiparalel oryantasyonu. c) manyetik olarak bozuk, iletken ve antiferromagnetik olarak sıralanmış bölgelerin şerit desenlerini. Daireler şarj taşıyıcıları temsil eder. Kırmızı kenarlı alanların (periyot) her biri aynı düzeni gösterir. H Vladimir Hinkov / Max Planck Katı Hal Araştırma Enstitüsü

Bununla birlikte, elektron delikleri, katman içerisinden atlayamaz. Aksine, katmanın bazı bölgelerindeki atomlara sıkı sıkıya bağlıyken, diğerleri ise mobildir, Vladimir Hinkov ve Fransız meslektaşları ile işbirliği içinde Max Planck Solid State Research Enstitüsü'nden meslektaşları şimdi kurdukları gibi var. Alanlar, çizgileri andıran şekilleri alır. Ek olarak, bu alanlar değişmektedir, böylece sadece bağlanmamış olan yük taşıyıcıları bir yerde tutulmaktadır.

Bununla birlikte, sıvı kristallerde olduğu gibi, izin verilen bölgeler rastgele yönelime sahip değildir, ancak tercihen paralel olarak hizalanırlar - bu, yük taşıyıcıların iletken bölgelerde daha kolay hareket etmesini sağlar, Hinkov'u açıklar.

Yüksek sıcaklık süper iletkenliği

Fizikçilerin hala makul bir açıklamaları olmayan yüksek sıcaklıkta süper iletkenlik, Hinkov ve meslektaşlarını bulgularıyla açıklayamıyor - sadece elektronik sıvı kristalleri var. süper iletken, göreceli olarak zayıf bir YBCO biçiminde, yani eksi 238 santigrat derece, gözlenen. Ancak YBCO’daki dirençsiz akım akışını henüz anlamadıkları için araştırmacılar, materyaldeki elektronlar hakkında aldıkları tüm bilgilerden memnunlar.

Hinkov, “Özellikle önceden teorik olarak mümkün olduğu düşünülen, ancak deneysel olarak henüz net bir şekilde gözlenmeyen bir fenomeni ilgilendirirse” diyor.

Kendine özgü elektronik sıvı kristallerin ilk belirtisi, YBCO kristalinin karşılıklı dik a ve b eksenleri boyunca bakır oksit düzlemindeki elektrik direncinin ölçülmesinde zaten bulunur: bir yönde 2, Tokyo’daki "Elektrik Enerjisi Endüstrisi Merkezi Araştırma Enstitüsü" nden bilim adamları 2002’de göstermiş oldukları gibi 5 kat daha yüksek. Bu, iletken bölgelerin tercihen daha az direnç yönünde paralel olarak dizildiği fikrini desteklemektedir.

Pistteki dönüş

Bununla birlikte, kristalin ekseni boyunca direncin ölçülmesi, her şeyden önce, yük taşıyıcıların bir kristal ekseni boyunca diğerinden daha serbest bir şekilde hareket edebildiği gerçeğine dayanmaktadır. Bilim adamları, kristal içindeki düzenlemeleri hakkında daha fazla bilgi edinmek için nötron kırınımı kullanır. Malzemenin manyetik özellikleri hakkında bir şey kaybeder. Bunlar, elektronların dönüşlerinin nasıl düzenlendiğine ve onları küçük çubuk mıknatıslara dönüştürdüğüne bağlıdır.

Manyetik olarak düzensiz iletken bölgelerin elektronik bir sıvı kristalde anlık görüntüsü. Tercihen kendilerini ızgaraların b ekseni boyunca yönlendirirler. Basit olması için, araya giren antiferromagnetik olarak sıralanmış bölgeler gösterilmemiştir. © Vladimir Hinkov / Max Planck Katı Hal Araştırma Enstitüsü

Elektronların serbestçe hareket etmekte serbest olmaları durumunda, dönüşleri büyük ölçüde düzensiz ve anlaşılmazdır. Ancak, eğer ayrı atomlara sabitlenirlerse, kuzey ve güney kutupları aynı yöne yönlendirilebilir. Fizikçiler bu durumda bir ferromanyet konuşuyor. Bu tür malzemelere manyetik olarak adlandırılır. Öte yandan, her manyetik kuzey kutbu güney kutuplarıyla çevrelenmişse, sıraya antiferromagnetik denir.

Her iki düzen de nötron kırınımında farklı ve karakteristik spektrumlar sağlar. Metot, aynı dönüşe sahip elektronların ne kadar uzak olduğunun bir ölçüsünü verir - başka bir deyişle, dönüşlerin deseninin ne kadar hızlı tekrar ettiği veya modelin süresinin ne kadar büyük olduğu. Açıkçası, antiferromagnet periyodu ferromanet ile tamamen aynıdır.

Kendiliğinden ayrılma

YBCO durumunda, Stuttgart fizikçilerinin gösterdiği gibi, durum iki şekilde daha karmaşıktır: Birincisi, YBCO'nun bakır oksit tabakasında, manyetik düzen içermeyen elektriksel olarak iletken bölgeleri, bu tür antiferromagnetik düzen ile değiştirir. Bu, periyodu daha da büyütür ve bu, nötron kırınım spektrumuna yansır. İkincisi, bu uzatılmış alanlar gerçekte düzenli olarak düzenlenmemiştir, fakat değişkendir. Bu, nötron difraksiyonunun spektrumunda karakteristik bir uzama paternine yol açar.

Elektronik sıvı kristalin ilk endikasyonları, birkaç ay önce güçlü bir süper iletken örnek için Stuttgart fizikçilerini aldı. Bununla birlikte, bu malzemede, iletken ve antiferromagnetik olarak sıralı bölgelerin dalgalanmaları o kadar güçlüydü ki sonuçlar belirsizdi.

Şimdi elektronik sıvı kristalini, nispeten az oksijen içeren ve bu nedenle sadece zayıf süper iletken olan bir YBCO varyantında kanıtlamayı başardılar. Sadece tam olarak ölçülmüş bir oksijen fazlası, seramik malzemenin akımı düşük sıcaklıklarda kayıpsız olarak yapması için ihtiyaç duyduğu ücretsiz şarj taşıyıcıları sağlar. Kristal, bu deliklerin çoğuyla serpiştirilmezse, elektronların iletken olmayan antiferromagnetik düzende olduğu gibi alanlarda birikir.

Hinkov, "Bu bulgu çok şaşırtıcı çünkü iletken ve iletken olmayan alanlara bu ayrılma, manyetik alan uygulayarak olduğu gibi dışarıdan önceden belirlenmemiş olmasına rağmen kendiliğinden ortaya çıkıyor" diyor.

(MPG, 13.02.2008 - DLO)