Temperaturberoendet av omvänd kvadrat av det magnetiska penetrationsdjupet, som är proportionell mot superfluiddensiteten, mätt med tunnel-diod-oscillatormetoden. Raderna visar passar till data med hjälp av olika modeller, där det kan ses att s¬-vågsmodellen med ett helt öppet gap inte överensstämmer med data, men den nodala 's+p'-modellen kan väl beskriva resultaten. Kredit:Shang et al.
I de allra flesta supraledande material, Cooper-par har vad som kallas jämn paritet, vilket i huvudsak betyder att deras vågfunktion inte ändras när elektroner byter rumsliga koordinater. Omvänt, några okonventionella supraledare har visat sig innehålla Cooper-par med udda paritet. Denna kvalitet gör dessa okonventionella material särskilt lovande för kvantberäkningstillämpningar.
Tidigare studier har förutspått att icke-centrosymmetriska supraledare, som har en kristallstruktur utan inversionscentrum, kan uppvisa unika och ovanliga egenskaper. Under de senaste åren har icke-centrosymmetriska supraledare har blivit ett populärt forskningsämne på grund av strukturen hos Cooper-paren som finns i dem, som har en blandning av udda och jämn paritet.
CaPtAs är en ny icke -centrosymmetrisk superledare som upptäckts av forskare vid Zhejiang University. Tillsammans med forskare vid Paul Scherrer Institut och andra institut över hela världen, dessa forskare har nyligen genomfört en studie som undersöker okonventionell supraledning i denna förening. Deras papper, publicerad i Fysiska granskningsbrev , ger bevis för att i sitt supraledande tillstånd, CaPtAs uppvisar samtidigt både nodal supraledning och bruten tidsomvändningssymmetri (TRS).
"Kristallstrukturen hos CaPtAs var känd för att vara icke-centrosymmetrisk, och därför, vi tänkte att det skulle vara intressant att avgöra om det också är en supraledare, "Huiqiu Yuan, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "I en tidning som publicerades tidigare i år, vi rapporterade att CaPtAs verkligen är en icke-centrosymmetrisk supraledare, som blir supraledande under 1,5 K. Vi såg också antydningar om ovanliga supraledande egenskaper, nämligen ett nodal supraledande gap."
Observationerna som samlats in i deras tidigare arbete inspirerade Yuan och hans kollegor att samla in avancerade mätningar som skulle göra det möjligt för dem att undersöka de okonventionella supraledande egenskaperna hos CaPtAs mer djupgående. Huvudsyftet med deras senaste studie var att avgöra om när CaPtAs är i sitt supraledande tillstånd är tidsomkastningssymmetri bruten.
Forskarna mätte också det icke -centrosymmetriska superledarens magnetiska penetrationsdjup vid mycket låga temperaturer, för att bättre förstå strukturen av dess supraledande gap. Mer specifikt, de ville avgöra om materialets supraledande gap uppvisade så kallade 'noder, " punkter där gapamplituden är lika med noll.
"I vår studie, bevisen för tids-reverserande symmetribrott kom från att använda myon spin relaxation/rotation (μSR) teknik, medan bevisen för nodal supraledning kom från både μSR, tunneldiodoscillatormetoden (TDO), såväl som den specifika värmen, sa Yuan.
Muon spin relaxation/rotation (μSR) är en kraftfull metod för att exakt mäta magnetiska fält inuti ett material, som använder positivt laddade anti-myoner som en sond. En signatur för tidsomkastningssymmetri som bryts i en supraledare är att mycket små magnetiska fält spontant uppstår när supraledaren kyls till sin kritiska temperatur. μSR är en av få befintliga tekniker som är tillräckligt känsliga för att detektera så små magnetiska fält inuti material.
"Vi implanterade de spin-polariserade muonerna i superledaren, " Tian Shang vid Paul Scherrer Institut förklarade. "De positiva myonerna genereras vid specialiserade mätanläggningar genom att en protonstråle kolliderar med ett kolmål. Våra μSR-experiment utfördes vid Paul Scherrer Institute i Schweiz."
Myoner är mycket instabila elementarpartiklar som snabbt sönderfaller, uppvisar en halveringstid på 2,2 µs, till en positron och två neutriner. En myons spinn påverkas vanligtvis av magnetiska fält inuti ett material. Därför, implantering av myoner inuti ett material gör det möjligt för forskare att rekonstruera naturen hos dessa magnetiska fält, helt enkelt genom att mäta fördelningen av positroner som emitteras över tiden.
"Särskilt, man räknar vanligtvis antalet positroner i motsatta ändar av provet, och hur skillnaden mellan dessa siffror, asymmetrin, " förändringar över tid kan användas för att detektera de små extra magnetfälten när tidsomkastningssymmetri bryts, " sa Shang.
Fysik termen 'nodal supraledning' avser arten av energiklyftan inuti en superledare, vilket är tröskelenergin som krävs för att bryta isär ett Cooper-par. I nodala supraledare, detta energigap är noll för Cooper-par som rör sig i vissa riktningar. Detta innebär att den termiska energin kan bryta isär Cooper-par även vid mycket låga temperaturer.
Asymmetrin som en funktion av tiden från myon-spin-relaxationsmätningar av CaPtAs i nollfält (ZF) och ett litet fält applicerat längs den initiala myonspinriktningen (LF). ZF-asymmetrin minskar snabbare med tiden under den supraledande övergången vid 0,02K än vid 2,5K, som visar att det finns extra magnetfält som dyker upp i supraledande tillstånd, vilket är en signatur för bruten tidsomkastningssymmetri. Kredit:Shang et al.
Nodal supraledning kan således detekteras genom att räkna mängden Cooper-par i ett material. Om antalet Cooper-par inuti en supraledare fortsätter att öka när temperaturen sänks långt under den supraledande kritiska temperaturen, man kan förvänta sig att materialet uppvisar nodal supraledning.
"Vi mätte det magnetiska penetrationsdjupet av CaPtA som en funktion av temperaturen ner till mycket låga temperaturer (mindre än 0,1 K) med två metoder, från vilken det är möjligt att bestämma hur antalet Cooper-par förändras med temperaturen, " Michael Smidman vid Zhejiang University sa. "En metod för att göra detta är μSR, där ett magnetiskt fält appliceras på materialet. Eftersom CaPtAs är en supraledare av typ II, fältet kommer att penetrera materialet via linjer av magnetiskt flöde för att bilda ett virvelgitter och fördelningen av dessa flödeslinjer kan detekteras med μSR. Fördelningen beror på det magnetiska penetrationsdjupet, så mängden Cooper-par är sedan lätt att bestämma."
Yuan och hans kollegor använde också ett ytterligare mätverktyg känt som tunneldiodoscillator (TDO). TDO:er är mycket känsliga instrument för att mäta temperaturberoendet för det magnetiska penetrationsdjupet.
Väsentligen, forskarna placerade CaPtAs i en spole, som är en del av en LC-krets. Strömmen i denna spole genererar ett mycket litet magnetfält som inte kan tränga djupt in i supraledaren på grund av den så kallade Meissner-effekten, ändå kan den nå ett visst avstånd under sin yta.
"Detta avstånd kännetecknas av en mängd som kallas det magnetiska penetrationsdjupet, ", förklarade Yuan. "Om inträngningsdjupet för supraledaren ändras med temperaturen, då ändras också spolens induktans, och detta kan detekteras genom att mäta förändringen av LC-kretsens resonansfrekvens."
Genom att tillämpa dessa tekniker på supraledarens CaPtAs, forskarna samlade bevis på dess nodala supraledning. Mer specifikt, när de beräknade antalet Cooper-par i materialet, de fann att deras resultat kunde förklaras av modeller där gapet i supraledaren är nodal.
"Detta var särskilt tydligt från det faktum att när temperaturen sjönk, superfluiddensiteten fortsatte att öka, ", sa Smidman. "Om CaPtAs var en helt gapad supraledare, superfluiddensiteten skulle mättas vid låga temperaturer."
Medan många forskare tidigare förutspådde förekomsten av ovanliga supraledande egenskaper i icke-centrosymmetriska supraledare, detta bekräftades inte alltid experimentellt. Tidigare studier identifierade en handfull magnetiska icke-centrosymmetriska supraledare med supraledning som klart skiljer sig från de konventionella elektron-fonon-mekanismerna som beskrivs av Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) -teorin, som manifesterade sig i ovanliga fysiska fenomen. Dock, många icke-centrosymmetriska supraledare utan magnetiska joner visade sig uppvisa liknande egenskaper som sina konventionella centrosymmetriska motsvarigheter.
"I vissa fall, bruten tidsomkastningssymmetri finns i icke-centrosymmetriska supraledare, men deras andra egenskaper är fortfarande mycket som konventionella supraledare, " sa Yuan. "I synnerhet, de har i allmänhet helt öppna supraledande mellanrum. Våra fynd ger bevis på nodal supraledning och tidsomkastningssymmetri som bryts i CaPtAs, och därmed tillåta oss att dra en koppling mellan vad som generellt hade varit distinkt olika typer av icke-centrosymmetriska supraledare."
Yuan och hans kollegor fann att den nodala supraledningsförmågan i CaPtAs liknar den som observerats i magnetiska icke-centrosymmetriska supraledare. Detta innebär att CaPtAs kan vara en främsta kandidat för att undersöka den blandade singlett-triplett-parningen som man kan förvänta sig att hitta i dessa system.
Studien ger också värdefull insikt om de möjliga mekanismerna bakom brytningen av TRS i ett brett spektrum av supraledare. I framtiden, andra forskarlag kan hämta inspiration från sitt arbete och använda CaPtAs för att undersöka mekanismer för topologisk supraledning och TRS.
"Även om vi har bevis för ett ovanligt supraledande tillstånd i CaPtAs med både nodal supraledning och bruten tidsomkastningssymmetri, den detaljerade strukturen för supraledande gap och underliggande mekanismer som ger upphov till dessa beteenden behöver fortfarande bestämmas, " tillade Yuan. "I våra nästa studier, vi är intresserade av att identifiera en specifik form av supraledande parning som kan förklara båda dessa resultat, och sedan förstå på en mikroskopisk nivå vad det är med CaPtAs som åstadkommer denna nya supraledning. Vi skulle också vilja bestämma om topologisk supraledning kan realiseras i CaPtAs."
© 2020 Science X Network
