En ny teori som skulle kunna förklara hur okonventionell supraledning uppstår i en mångsidig uppsättning föreningar kanske aldrig hade hänt om fysikerna Qimiao Si och Emilian Nica hade valt ett annat namn för sin 2017 års modell av orbital-selektiv supraledning.

I en studie publicerad denna månad i npj Quantum Materials , Si of Rice University och Nica från Arizona State University hävdar att okonventionell supraledning i vissa järnbaserade och tunga fermionmaterial härrör från ett allmänt fenomen som kallas "multiorbital singlet pairing".

I supraledare, elektroner bildar par och flyter utan motstånd. Fysiker kan inte helt förklara hur par bildas i okonventionella supraledare, där kvantkrafter ger upphov till konstigt beteende. Tunga fermioner, ett annat kvantmaterial, har elektroner som verkar vara tusentals gånger mer massiva än vanliga elektroner.

Si och Nica föreslog idén om selektiv parning inom atomära orbitaler 2017 för att förklara okonventionell supraledning i alkaliska järnselenider. Det följande året, de tillämpade den orbitalselektiva modellen på det tunga fermionmaterialet där okonventionell supraledning först demonstrerades 1979.

De övervägde att döpa modellen efter ett relaterat matematiskt uttryck som blev känt av kvantpionjären Wolfgang Pauli, men valde att kalla det d+d. Namnet syftar på matematiska vågfunktioner som beskriver kvanttillstånd.

"Det är som om du har ett par elektroner som dansar med varandra, sa Si, Rices Harry C. och Olga K. Wiess Professor i fysik och astronomi. "Du kan karakterisera den dansen med våg, p-våg och d-våg kanaler, och d+d hänvisar till två olika typer av d-vågor som smälter samman till en."

Året efter publiceringen av d+d-modellen, Si höll många föreläsningar om arbetet och fann att publiken ofta fick namnet förväxlat med "d+id, " namnet på ett annat parningstillstånd som fysiker har diskuterat i mer än ett kvartssekel.

"Folk skulle komma fram till mig efter en föreläsning och säga:"Din teori om d+id är verkligen intressant, 'och de menade det som en komplimang, men det hände så ofta att det blev irriterande, sa Si, som också leder Rice Center for Quantum Materials (RCQM).

I mitten av 2019, Si och Nica träffades över lunch medan de besökte Los Alamos National Laboratory, och började dela historier om d+d kontra d+id förvirring.

"Det ledde till en diskussion om huruvida d+d kan vara kopplat till d+id på ett meningsfullt sätt, och vi insåg att det inte var ett skämt, sa Nica.

Kopplingen involverade d+d-parningstillstånd och de som gjordes kända av den Nobelprisbelönta upptäckten av helium-3-superfluiditet.

"Det finns två typer av superfluid parningstillstånd av flytande helium-3, den ena kallas B-fasen och den andra A-fasen, sade Nica. Empiriskt sett, B-fasen liknar vår d+d, medan A-fasen är nästan som en d+id."

Analogin blev mer spännande när de diskuterade matematik. Fysiker använder matrisberäkningar för att beskriva kvantparningstillstånd i helium-3, och det är också fallet för d+d-modellen.

"Du har ett antal olika sätt att organisera den matrisen, och vi insåg att vår d+d-matris för orbitalutrymmet var som en annan form av d+id-matrisen som beskriver helium-3-parning i spinrymden, sa Nica.

Si sa att associationerna med superfluid helium-3 parningstillstånd har hjälpt honom och Nica att utveckla en mer komplett beskrivning av parningstillstånd i både järnbaserade och tunga fermionsupraledare.

"När jag och Emil pratade mer, vi insåg att det periodiska systemet för supraledande parning var ofullständigt, "Si sa, hänvisar till det diagram fysiker använder för att organisera supraledande parningstillstånd.

"Vi använder symmetrier - som gitter eller spinnarrangemang, eller om tiden som går framåt kontra bakåt är likvärdig, som är tidsomkastande symmetri - för att organisera möjliga parningstillstånd, " sa han. "Vår uppenbarelse var att d+id kan hittas i den befintliga listan. Du kan använda det periodiska systemet för att konstruera det. Men d+d, du kan inte. Det är bortom det periodiska systemet, eftersom tabellen inte inkluderar orbitaler."

Si sa att orbitaler är viktiga för att beskriva beteendet hos material som järnbaserade supraledare och tunga fermioner, där "mycket starka elektron-elektronkorrelationer spelar en avgörande roll."

"Baserat på vårt arbete, tabellen måste utökas till att inkludera orbitalindex, " sa Si.