Para ilmuwan di Laboratorium Akselerator Nasional SLAC menggunakan teknik sinar-X yang ditingkatkan untuk menjelajahi keadaan materi yang eksotis dalam superkonduktor tidak konvensional yang menghantarkan listrik dengan efisiensi 100% pada suhu yang relatif tinggi. Mereka melihat sekilas tanda dari keadaan yang dikenal sebagai gelombang kerapatan pasangan (Pair Density Waves (PDW), dan mengkonfirmasi bahwa itu terjalin dengan fase lain yang dikenal sebagai garis-garis gelombang kerapatan muatan (CDW) – pola seperti gelombang dengan kerapatan elektron yang lebih tinggi dan lebih rendah dalam materi. CDWs, pada gilirannya, dibuat ketika gelombang kepadatan putaran (SDWs) muncul dan terjalin. Kredit: Laboratorium Akselerator Nasional Jun-Sik Lee/SLAC
Dikenal sebagai “gelombang densitas pasangan”, ini mungkin menjadi kunci untuk memahami bagaimana superkonduktivitas dapat eksis pada suhu yang relatif tinggi.
Superkonduktor non-konvensional mengandung sejumlah fase eksotis materi yang dianggap berperan, baik atau buruk, dalam kemampuan mereka untuk menghantarkan listrik dengan efisiensi 100% pada suhu yang jauh lebih tinggi daripada yang diperkirakan para ilmuwan – meskipun masih jauh dari suhu yang akan memungkinkan penyebaran luas mereka di saluran listrik yang sangat efisien, kereta maglev, dan sebagainya.
Sekarang para ilmuwan di Laboratorium Akselerator Nasional SLAC Departemen Energi telah melihat sekilas tanda dari salah satu fase tersebut, yang dikenal sebagai gelombang densitas pasangan atau PDW, dan mengonfirmasi bahwa fase tersebut terjalin dengan fase lain yang dikenal sebagai garis-garis gelombang kepadatan muatan (CDW) – pola seperti gelombang kerapatan elektron yang lebih tinggi dan lebih rendah dalam material.
Mengamati dan memahami PDW dan korelasinya dengan fase lain mungkin penting untuk memahami bagaimana superkonduktivitas muncul dalam bahan ini, memungkinkan elektron untuk berpasangan dan bergerak tanpa hambatan, kata Jun-Sik Lee, staf ilmuwan SLAC yang memimpin penelitian di lab. Sumber Cahaya Radiasi Sinkronisasi Stanford (SSRL).
Bahkan bukti tidak langsung dari fase PDW yang terjalin dengan garis-garis muatan, katanya, merupakan langkah penting dalam perjalanan panjang menuju pemahaman mekanisme di balik superkonduktivitas yang tidak konvensional, yang telah luput dari penelitian para ilmuwan selama lebih dari 30 tahun.
Lee menambahkan bahwa metode yang digunakan timnya untuk melakukan pengamatan ini, yang melibatkan secara dramatis meningkatkan sensitivitas teknik sinar-X standar yang dikenal sebagai hamburan sinar-X lunak resonansi (RSXS) sehingga dapat melihat sinyal yang sangat redup yang dilepaskan oleh fenomena ini. , memiliki potensi untuk secara langsung melihat tanda tangan PDW dan korelasinya dengan fase lain dalam eksperimen mendatang. Itulah yang mereka rencanakan untuk dikerjakan selanjutnya.
Para ilmuwan menggambarkan temuan mereka dalam sebuah artikel yang diterbitkan di Physical Review Letters.
Mengurai rahasia superkonduktor
Keberadaan fase PDW dalam superkonduktor suhu tinggi diusulkan lebih dari satu dekade yang lalu dan itu menjadi bidang penelitian yang menarik, dengan para ahli teori mengembangkan model untuk menjelaskan cara kerjanya dan para eksperimentalis mencarinya dalam berbagai bahan.
Dalam studi ini, para peneliti mencarinya dalam oksida tembaga, atau cuprate, bahan yang dikenal sebagai LSCFO untuk unsur-unsur yang dikandungnya – lantanum, strontium, tembaga, besi, dan oksigen. Diperkirakan menjadi tuan rumah dua fase lain yang mungkin terjalin dengan PDW: garis-garis gelombang kerapatan muatan dan garis-garis gelombang kerapatan putaran.
Sifat dan perilaku garis-garis muatan dan putaran telah dieksplorasi dalam sejumlah penelitian, tetapi hanya ada beberapa pandangan tidak langsung dari PDW – seperti mengidentifikasi binatang dari jejaknya – dan tidak ada yang dibuat dengan teknik hamburan sinar-X. Karena hamburan sinar-X mengungkapkan perilaku seluruh sampel sekaligus, itu dianggap sebagai cara yang paling menjanjikan untuk mengklarifikasi apakah PDW ada dan bagaimana hubungannya dengan fase kunci lainnya di cuprates, kata Lee.
Selama beberapa tahun terakhir, tim SSRL telah berupaya meningkatkan sensitivitas RSXS sehingga dapat menangkap sinyal yang mereka cari.
Peneliti postdoctoral Hai Huang dan staf insinyur SLAC Sang-Jun Lee menggunakan teknik yang ditingkatkan dalam penelitian ini. Mereka menyebarkan sinar-X dari LSCFO dan menjadi detektor, membentuk pola yang mengungkapkan apa yang terjadi di dalam materi. Saat mereka menurunkan suhu material ke kisaran superkonduktornya, garis-garis spin muncul dan terjalin untuk membentuk garis-garis muatan, dan garis-garis muatan itu kemudian dikaitkan dengan munculnya fluktuasi dua dimensi yang merupakan ciri khas PDW.
Para peneliti mengatakan hasil ini tidak hanya menunjukkan nilai dari pendekatan RSXS yang baru, tetapi juga mendukung kemungkinan bahwa PDW hadir tidak hanya dalam materi ini, tetapi juga di semua cuprate superkonduktor.
Referensi: “Fluktuasi Superkonduktor Dua Dimensi Terkait dengan Garis Gelombang Densitas Muatan di La1.87Sr0.13Cu0.99Fe0.01O4” oleh H.Huang, S.-J. Lee, Y. Ikeda, T. Taniguchi, M. Takahama, C.-C. Kao, M. Fujita, dan J.-S. Lee, 21 April 2021, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.126.167001
Sebuah tim peneliti yang dipimpin oleh Masaki Fujita di Universitas Tohoku di Jepang menumbuhkan kristal LSCFO berkualitas tinggi yang digunakan dalam percobaan dan melakukan tes pendahuluan di sana. Penelitian ini didanai oleh DOE Office of Science. SSL adalah fasilitas pengguna DOE Office of Science.
