Amplituden av det konstiga metallbidraget i Hall -effekten som en funktion av komposition x och temperatur T, beräknat från fältberoendet för R_H. Den vita prickade linjen är en vägledning för ögat, betonar gränsen för regionen där den konstiga metallen R_H är oberoende av x. Ovanför linjen beror den konstiga metallhallen bara på temperaturen och oberoende av komposition x, under linjen fortsätter dessa bidrag till noll temperatur, föreslår en direkt anslutning till det supraledande marktillståndet. Kredit:Nature Physics (2020). Hayes et al.
Under de senaste decennierna har forskare har identifierat ett antal supraledande material med atypiska egenskaper, känd som okonventionella supraledare. Många av dessa superledare har samma avvikande laddningstransportegenskaper och karakteriseras därmed kollektivt som "konstiga metaller".
Forskare vid University of California, Berkeley (UC Berkeley) och Los Alamos National Laboratory har undersökt de avvikande transportegenskaperna hos konstiga metaller, tillsammans med flera andra lag över hela världen. I en ny tidning publicerad i Naturfysik , de visade att i ett av dessa material, BaFe 2 (Som 1− x P x ) 2 , supraledning och kvantkritikalitet är kopplade till det som kallas Hall -effekten.
I årtionden, fysiker har inte helt kunnat förstå T-linjär resistivitet, en signatur av konstiga metaller som ofta har observerats i många okonventionella superledare. 2016, teamet vid UC Berkeley och Los Alamos National Lab observerade ett ovanligt skalförhållande mellan magnetfältet och temperaturen i superledaren BaFe 2 (Som 1− x P x ) 2 .
Skalfenomen observeras vanligtvis strax innan ett system övergår från en fas till en annan (t.ex. från vätska till gas), stunder som kallas kritiska punkter. Detta inspirerade forskarna att undersöka om ett liknande fenomen också inträffade i Hall -effekten, ett relaterat fenomen för laddtransporter.
"Skalbeteendet uppstår eftersom nära en kritisk punkt, vissa fastigheter blir skalinvarianta, "James G. Analytis, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Detta beror på att det finns fasfluktuationer vid den kritiska punkten som uppstår vid alla längd- och tidsskalor. Samma grundfenomen leder till kritisk opalescens i en vätske-gasövergång, men i det aktuella fallet, fluktuationerna har sitt ursprung i Heisenbergs osäkerhetsprincip. I vår senaste studie, vi observerade inte skalningsbeteendet så tydligt som vi gjorde tidigare, men vi hittade något som vi inte förväntade oss. "
För att genomföra sina experiment, Analytis och deras kollegor syntetiserade BaFe 2 (Som 1− x P x ) 2 kristaller vid Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) och placerade dem sedan under höga magnetfält vid Los Alamos National Labs högfältanläggning, som hanteras av det NSF-finansierade National High Magnetic Field Lab (NHMFL). På denna fältanläggning, forskare kan samla mätningar för en betydande mängd magnettid.
"Det är mycket konkurrenskraftigt att få denna magnettid, vilket gör att du kan mäta upp till 65 T, "Analytis förklarade." Varje material måste mätas separat, med flera prover för att säkerställa reproducerbarhet. I alla, vi tillbringade förmodligen cirka fyra veckors magnettid för att samla in våra data. "
Experimenten utförda av Analytis och hans kollegor gav ett antal intressanta resultat. Först, forskarna fann att Hall -effekten verkar vara sammansatt av två olika 'termer':en konventionell som helt enkelt är relaterad till antalet elektroner i systemet, och en konstig-metall term som når sin topp när BaFe 2 (Som 1− x P x ) 2 närmar sig sin kvantkritiska punkt.
"Att dela Hall -effekten i två bidrag är ganska naturligt i ferromagnetiska metaller eftersom systemet har två tydliga bidrag; bärarna i metallen och de magnetiskt ordnade snurrningarna, "Analytis förklarade." Det andra bidraget kallas den avvikande Hall -effekten. Det vi ser verkar vara analogt med en avvikande Hall -effekt, men jag betonar att det inte finns någon ferromagnetism. Här, det onormala bidraget verkar uppstå från magnetiska fluktuationer nära den kritiska punkten. "
Två nyckelfakta illustrerar sambandet mellan kvantkritikalitet och supraledning som presenterades av Analytis och hans kollegor:Den första är att i konstiga metaller, supraledning sker i ett helfasdiagram; den andra är att Hall -effekten i huvudsak är ett mått på antalet partiklar (dvs. elektroner eller hål) i ett system.
Forskarna observerade att den avvikande effekten som observerades i BaFe 2 (Som 1− x P x ) 2 när den närmar sig sin kvantkritiska punkt upphör bara när supraledning gör det. Dessutom, de fann att noll-temperaturstorleken för Hall-effektens avvikande term var korrelerad till storleken på det supraledande Tc. Detta tyder på att den konstiga metallens bidrag till Hall -effekten är, faktiskt, ett mått på de framväxande enheter som är ansvariga för supraledning.
"Det var en andra observation kopplad till skalinvariansen som observerades tidigare, "Analytis sa." I en region i fasdiagrammet som kallas "kritisk fläkt" (regionen tros domineras av fluktuationer), det konstiga metallbidraget beror bara på temperaturen, som om temperaturen ställer in skalan för fluktuationerna i systemet. Viktigast, det konstiga metallbidraget var oberoende av komposition X, även om det konventionella bidraget ändrades med en faktor tre eller fler; vilket innebär att den konstiga metall Hall -effekten inte bara är en extra laddningskälla, men att det uppstår från alla elektroners kollektiva rörelse när de närmar sig en kvantkritisk fasövergång. "
När du studerar hög Tc, forskare försöker vanligtvis förstå de framväxande excitationer som är ansvariga för supraledning i ett material. I konventionella supraledare, dessa excitationer är nu kända för att karakteriseras som enkla elektroner eller hål.
Den senaste studien av Analytis och hans kollegor kan i slutändan belysa arten av excitationerna som är ansvariga för supraledning i konstiga metaller, som hittills förblivit gäckande. Dessutom, forskarna har identifierat en strategi som kan användas för att mäta om dessa excitationer finns i ett material eller inte.
"Det skulle vara mycket spännande att se om de fastigheter vi presenterade omfattar andra superledare, "Sa Analytis." Just nu, vi skulle vilja utvidga dessa mätningar till olika delar av fasdiagrammet och till olika föreningar. Dessa är alla långa och komplicerade experiment som kräver omfattande syntes och tid i höga fältlaboratorier (som NHMFL), men vi vet åtminstone exakt vad vi letar efter, nu."
I deras nästa studier, forskarna skulle också vilja börja leta efter strategier och verktyg som kan användas för att direkt undersöka frihetsgraderna hos okonventionella supraledare. Faktiskt, de flesta existerande metoder tenderar att undersöka ett materials laddningsgrader av frihet, vilket avsevärt begränsar deras generaliserbarhet i olika material.
"Hall -effekten kommer alltid att blanda ihop dessa, och vi hade tur att i dessa material, de delar upp sig i "konventionella" och "konstiga metall" -bidrag, "Analytis sa." Men för att se universaliteter i olika materialklasser, Det kommer att vara viktigt att utveckla nya sonder med mer direkt känslighet för systemets "konstiga metall". "
© 2020 Science X Network
