Elektronen Split "Persönlichkeiten" zu helfen, Physik-Rätsel zu lösen

Elektronen, die negativ geladenen Teilchen um Atome — "Persönlichkeiten" aufgeteilt haben, und Handeln eine oder andere, je nachdem, wie viele von ihnen sind neue Forschung schlägt vor.

Die Entdeckung könnte dazu beitragen, um eine langjährige Geheimnis über elektrische Ströme in Supraleitern, die solche Strom mit keinen Energieverlust führen zu lösen. Physiker haben lange gefragt, warum Elektronen manchmal frei wie supraleitende Materialien bewegen, was coole und zu anderen Zeiten, elektrischen Strom zu Marmelade.

Die Forscher konzentrierten sich auf sogenannte Hochtemperatur-Supraleitern oder jene Materialien, die bei Temperaturen oberhalb von Supercold oder absoluten Nullpunkt (minus 459,67 Grad Fahrenheit oder minus 273,15 Grad) Strom leiten. Sie verwendet ein Elektronenmikroskop, um einer Klasse von Hochtemperatur-Supraleitern basierend auf Cupraten, Orcopper und Sauerstoff-Verbindungen zu prüfen. Cuprate sind in der Regel Isolatoren (d. h. sie Strom leiten nicht), aber wenn auf ca. 160 Grad Kelvin (minus 171 Grad F oder minus 113 Grad C) abgekühlt und mit einem Sauerstoff gemischt, in Höhe von wenigen Atomen verteilt mehrere Cuprat Moleküle, verwandeln sie sich in Supraleitern, fand das Team vom Brookhaven National Laboratory. [Über Kupfer: 8 chemische Elemente, die Sie noch nie von gehört]

Stecken Elektronen

Die Forscher fanden heraus, dass doping-Cuprate mit Sauerstoff zunächst einige der Elektronen zu frieren in Platz verursacht – eine Bedingung genannt "Streifen." Die Streifen störte die Supraleitung, denn die stecken Elektronen dürfen nur die frei, die in bestimmte Richtungen bewegen.

Hinzufügen von genügend Sauerstoff zu den Cupraten schien einen großen Unterschied machen wie die Cuprate als Halbleiter wieder, sagte Studie Forscher j.c. Séamus Davis, ein leitender Physiker am Brookhaven National Laboratory in Upton, New York, und Direktor des U.S. Department of Energy Center für emergente Supraleitung gehandelt.

Der Grund, den das scheint zu funktionieren, hat zu tun, warum Supraleitung geschieht. In der Regel leiten Metalle Strom, weil die Atome unvollständige äußeren Elektronenschalen haben. Kupfer, zum Beispiel, hat ein einzelnes Elektron in seiner äußeren Hülle, obwohl die Shell verfügt über genügend Platz für acht Elektronen. Dieser zusätzliche Raum kann die Elektronen zu handeln, als ob sie in einem frei schwebenden Meer sind. Anbringen einer Batterie erlegt ein elektrisches Feld auf die Elektronen, die alle in Richtung der positiven Seite des Feldes angezogen bekommen. Die Batterie liefert auch mehr Elektronen, die sich wie eine Conga-Linie entlang des Drahtes zu bewegen. Es gibt Widerstand, aber, weil die Elektronen auch zufällig hüpfen.

Wenn eine Metall genug abgekühlt wird, jedoch bilden die Elektronen so genannten Cooper-Paaren. Elektronen sind negativ geladen, so dass sie zu gewinnen, die positiv geladenen Teilchen oder Ionen, in das Metall, so dass eine etwas dichtere positive Ladung, wie sie sich bewegen. Positive Ladung zieht andere freien Elektronen, wodurch eine schwach paar gebunden – einer hinter dem anderen.

Quantenmechanischer Regeln lassen sich durch das Kupfer ohne Einmischung zu segeln. Aber es funktioniert nicht, wenn die Temperatur zu hoch ist, weil die Paare brechen, wenn die Elektronen um angerempelt werden. [Verrückte Physik: die coolsten kleine Partikel in der Natur]

Einen Prozess namens doping – in welche Chemikalien auf einem Metall oder einer anderen Substanz angewendet werden – fügt "Löcher" oder Leerzeichen der positiven Ladung wo Elektronen fehlen, um das Material. Daraus resultiert, dass die Elektronen in den Cupraten haben mehr Platz zum bewegen, und das ist, warum, bei kalten Temperaturen, die stecken Elektronen – oder "Streifen" — verschwinden.

So dass Supraleiter

Während das Phänomen esoterischen klingen mag, es ist ein wichtiger Schritt zu verstehen, wie supraleitende Materialien zu machen, sagte Davis. "Es gab Dutzende von konkurrierenden Erklärungen. Das Ergebnis unseres Experiments zeigte, war es eine einfache Erklärung", sagte Davis.

Es gibt noch eine Menge Arbeit auf die Steigerung der Supraleiter Temperaturen zu tun. Des Teams der Brookhaven Experiment erfolgte bei 4 Grad Kelvin oder etwa minus 450 Grad F (minus 268 Grad Celsius) – weit unter dem theoretischen Grenzwert. Weitere Experimente müssen mit dotierten Cuprate bei höheren Temperaturen durchgeführt werden. Das heißt, Davis stellt fest, dass wenn ein Supraleiter bei der Temperatur von flüssigem Stickstoff, im Gegensatz zu flüssigen Helium funktionieren könnte, der die Kosten eine Menge verringern würde.

Auch, zu wissen, dass "Streifen" an der Formung zu verhindern müssen Ingenieure und Wissenschaftler bei der Auswahl welche Stoffe zu konzentrieren auf und wie Sie die Temperatur von Supraleitern noch weiter steigern begleiten. "Sobald die Materialwissenschaftler wissen, was das Ziel ist es, sie in Richtung, die arbeiten können", sagte Davis.

Auch mit dieser neuen Erkenntnis halten Supraleiter noch Geheimnisse. Obwohl Davis Gruppe einen Weg zur Milderung der Ringel-Phänomen gefunden hat, ist ein Großteil der zugrunde liegende Mechanismus noch unklar.

Yang ist er Doktorand an der Harvard University unter einer Gruppe von Wissenschaftlern, die Supraleitung auch studieren. Er sagte in ihren Erkenntnissen eine Phase, wo Elektronen teilweise leitfähige und teilweise isolierende sind — genannt die-Pseudoenergielücke — scheint reibungslos zu entwickeln, egal, was die Elektronen des Materials tun. Darüber hinaus scheinen die-Pseudoenergielücke Phase Elektronen bei der Supraleitung sowie zu beteiligen. "Irgendwie, die Elektronen sind zwei Dinge tun" sagte er.

Die Studie erscheint in der 9 Mai-Ausgabe der Zeitschrift Science.

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