直接实验证据对电子轨道的微妙变化

这些图像显示Brookhaven Lab Conclaboration探索的样品中价电子的分布 - 两者都具有夹在砷原子之间的中央铁层。左侧（Bafe2As2）上未掺杂的样品中的微小红云（更多电子）揭示了铁原子的弱电荷四倍体，而外砷离子周围的蓝云（较少的电子）显示出弱极化。然而，右侧的超导样品（掺杂钴原子）在中心呈现出强四极杆和砷原子的明显偏振，如大型红色气球所证明的。

使用先进的电子衍射技术，研究人员通过将未嵌入的非超导材料与其掺杂的超导双胞胎进行比较，获得了电子轨道上微妙变化的直接实验证据。

只需正确的原子安排，超导体就允许电气流动，而不会损失，从根本上增强能量产生，交付和储存。科学家通过在原子的最外侧轨道壳中交换元件或操纵价电子来调整这些超导体食谱，以攻击完美的导电平衡。大多数高温超导体含有仅具有一个轨道影响性能的原子 - 但是与更复杂的配置混合那些元素呢？

现在，美国能源部的研究人员的Brookhaven National实验室已有多个轨道的组合原子，并精确地钉住了它们的电子发行版。使用先进的电子衍射技术，科学家发现铁基化合物中的轨道波动诱导强烈的耦合偏振，可以增强电子配对 - 超导后的基本机制。该研究将在“物理审查信中即将发布，为广泛的新材料中的探索和提高超导性提供了突破性的方法。

“首次首次获得电子轨道上的直接实验证据，通过比较未改变的非超导材料与其掺杂超导双单，”Brookhaven Lab物理学家和项目领导者yii朱镕基说。

虽然掺杂多轨道钡铁的效果通过在更简单的系统中添加钴反射镜的出现来定制其关键的外电子计数，因此机构本身可能完全不同。

“现在超导体理论可以在这些密集的电子云相互作用中纳入铁和砷之间的强耦合的证据，”布鲁克霍夫·实验室物理学家和研究共同武卓尹说。“这种意想不到的发现汇集了轨道波动理论和50岁的”兴趣“理论，用于高温超导，为凝聚物物理开辟一个新的前沿。”

原子丛林健身房

想象一下，一个孩子在丛林健身房里面玩，用多彩多姿的金属矩阵编织孔的孔，电力流过材料。这个特殊的孩子恰好穿着一个强大的磁带，因为她爬上时排斥金属棒。这使得丛林健身房的网格状结构转变为开放式隧道，让孩子毫不费力地滑动。然而，真正的奖金是，这一动作吸引了任何附近的腰带携带的孩子，然后可以通过这种完美的道路膨胀。

流动的电力可以对超导体的原子晶格具有类似的影响，在周围原子中排斥带负电的价电子。在正确的材料中，排斥实际上产生带正电荷的袋，在其他电子中绘制，作为配对机构的一部分，其能够使电流的损失流动 - 所谓的激动机构。要设计一个原子丛林健身房，扭曲足以形成渠道，科学家试听元素的不同组合，调整它们的量子特性。

“高温铜氧化物超导体，或铜酸盐，含有单个轨道，缺乏容纳电力和晶格之间的强大相互作用的自由度，”尹说。“但我们测试的钡铁砷具有多轨道电子，以便以更灵活和复杂的方式推动并拉动格子，例如通过轨道间电子再分配。这个功能特别有希望，因为电力可以比氧气更容易地移动砷的电子云。“

在原子丛林健身房的情况下，这种复杂性要求新的理论模型和实验数据，考虑到北南酒吧磁铁制成的简单格子也可以成为吸引力和排斥的多维舞蹈。为了控制掺杂效果和电力流动，科学家需要窗口进入轨道交互。

跟踪轨道

“考虑测量波浪在海洋表面上撞击，”朱说。“我们需要确定那些复杂的波动，而不会通过下面的深水模糊的数据。波浪代表外轨道壳中的全部重要电子，其几乎没有内电子层的层。例如，单独的每个钡原子具有56个电子，但我们只关注最外层中的两个。“

Brookhaven研究人员使用了一种称为定量收敛光束电子衍射（CBED）的技术，以揭示具有亚基云的轨道云。在电子束撞击样品之后，它反弹出电荷的颗粒以露出原子晶格的构造，或电子的精确核阵列。科学家们花了数千个这些测量，减去了内部电子，并将数据转换为最有可能找到价电子的概率 - 气球形区域。

形状换档原子

研究人员首先检查了钡铁砷的非超导样品的电子云。CBED数据显示，砷原子放在铁上方和下方的夹层形状（见图像） - 抑制的速度较小或偏振的价电子。然而，当科学家通过用钴掺杂将化合物转化为超导体时，电气分布从根本上变化。

“钴掺杂将轨道电子向外推动轨道电子，将负电荷集中在”三明治“外面的外部电荷，并使朱镕基说。“我们创建了非常精确的电子和原子位移，可能实际上可以推动这些超导体的临界温度。”

添加阴，“真正令人兴奋的是，这种电子极化表现出强烈的耦合。钢的四极偏振，其表示眶侧波动，与砷偶极偏振密切相关 - 该机制可以是这些铁基化合物中高温超导率的关键。我们的结果可以指导新材料的设计。“

本研究在静态条件下探讨了室温下的轨道波动，但是未来的实验将对超冷样品应用动态衍射方法并探索替代材料组合物。

Brookhaven Lab的实验工作得到了Doe的科学办公室的支持。材料综合在中国科学院物理研究所进行。Brookhaven实验室的同性恋者还包括Chao Ma，Lijun Wu和Chris Homes。

美国能源部科学办公室是美国物理科学基础研究的最大支持者，并且致力于解决当今时代最紧迫的挑战。

出版物：由物理审查信件接受

研究报告的PDF副本：Ba（Fe1xcox）2as2中铁 - 四极针和阴离子 - 偶极偏振的强耦合−

图像：布鲁克黑文国家实验室