(A) sidovy av LixZrNCl kristallstruktur. Heldragna linjer representerar den romboedriska enhetscellen. (B) Schematisk illustration av jon-gating-enheten baserad på en riktig optisk mikrografbild av en ZrNCl-enkristallflinga och mönstrade elektroder. Smala kontakter förbereds för tunnelspektroskopimätningarna. PMMA täcker hela enheten förutom den yttre delen av flingan och grindelektroden. Elektrolyten som innehåller LiClO4 tappas på enheten. Grindspänning VG appliceras på elektrolyten, och litiumkatjoner och ClO4 -anjoner rör sig motsatt. Litiumkatjoner interkalerar från flingans sidor. (C) Ström-IDS för enhetens källavlopp vid interkalationsdrift. Under VG -framsöket (rött), IDS ökar kraftigt, ändringen av IDS sker gradvis vid bakåtskanning (blå). VG sopas med en hastighet av 10 mV/sek. (D) Antisymmetriserad tvärgående resistivitet vid 150 K för olika värden av Li -innehållet x. Den linjära lutningen används för att bestämma x. Kredit:Vetenskap, doi:10.1126/science.abb9860
I de parade fermionsystemen, överflödigheten i Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) och kondensering av Bose-Einstein (BEC) är två extrema gränser för grundtillståndet. I en ny rapport i Vetenskap , Yuji Nakagawa och ett team av forskare inom tillämpad fysik, kvanteelektronik, framväxande ämnesvetenskap och materialforskning i Japan, rapporterade crossover-beteende från BCS-gränsen till BEC-gränsen genom att variera bärartätheten i en 2D-superledare elektrondopad, skiktat material ZrNCl innehållande interkalerad skiktad nitrid. Teamet visade hur förhållandet mellan den supraledande övergångstemperaturen och Fermi-temperaturen i gränsen för låg bärartäthet överensstämde med den teoretiska övre gränsen som förväntades i BCS-BEC-delningsregimen. Resultaten indikerade hur den gate-dopade halvledaren gav en idealisk plattform för 2D BCS-BEC crossover utan ytterligare komplexitet som de som noteras i andra solid-state-system.
BCS-BEC crossover
Fenomenet fermionparning, och kondens är grundläggande för en mängd olika system, inklusive neuronstjärnor till superledare och ultrakylda atomgaser. Två begränsande fall för fermionkondensation beskrivs av två distinkta teorier som kallas Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) -teorin för vilken fysikern John Bardeen et al. fick Nobelpriset 1972, och Bose-Einstein-kondensen (BEC) som utvecklats av fysikerna Satyendra Nath Bose och Albert Einstein 1924. BCS-teorin beskriver överflödigheten i gränsen för svag koppling eller hög densitet där enskilda fermioner direkt kondenserar till ett sammanhängande tillstånd av fermionpar- en typ av kondens som vanligtvis observeras i elektronernas supraledning. Det senare inträffade ofta under starkkopplingen, lågdensitetsgräns. I början, fermionpar uppför sig som bosoner och sedan genomgår de BEC till överflödigt tillstånd i ett fenomen som ses i fermioniska gaser. De två gränserna är kontinuerligt anslutna genom en mellanliggande regim som kallas BCS-BEC crossover.
Transportfastigheter för LixZrNCl. (A) Temperaturberoende av resistivitet vid olika dopningsnivåer. Motstånden vid x =0,080 och 0,13 multipliceras med 5 och 10, respektive. (B) Resistivitet normaliserad vid 30 K. Varje kurva skiftas med 0,5, och grå streckade linjer anger noll linjer. (C) Resistivitet vid x =0,011 som visar BKT -övergången. Den svarta linjen passar Halperin-Nelson-formeln. Insats:resistivitet ritad på en [d (ln ρ)/dT] –2/3 skala. (D) Övre kritiska fältet Hc2 utanför planet som funktion av temperaturen. Streckade linjer är linjära extrapolationer till 0 K för varje dopningsnivå. (E) Dopningsberoende av Hc2 vid 0 K i (D) (överst) och inplanets koherenslängd ξ (botten). Kredit:Vetenskap, doi:10.1126/science.abb9860 
Fysiker använder ultrakylda atomgaser och supraledare som gynnsamma experimentella inställningar för att observera BCS-BEC-överkorsningen genom att styra kopplingsstyrkan mellan de ingående fermionerna på ett kvasi-kontinuerligt sätt. I ultrakylda atomgaser kan kopplingsstyrkan i hög grad moduleras med hjälp av Feshbach -resonanser som sveper över delningsregimen från BEC -gränsen. Forskare kan kontrollera bärartätheten och kopplingsstyrkan för att komma in i crossover -regimen från BCS -gränsen inom superledare. I superledare, den dimensionslösa kopplingsstyrkan kan bestämmas med hjälp av supraledande gap och Fermi -energi mätt från botten av ledningsbandet. När förhållandet mellan det superledande gapet och Fermi -energin ökade via förbättrade parningsinteraktioner eller minskad bärartäthet, systemet gick in i BCS-BEC crossover-regimen, åtföljd av förbättrade förhållanden mellan supraledande kritisk temperatur och Fermi -temperatur. Till exempel, niob (Nb) och aluminium (Al) ligger djupt inom BCS -gränsen, medan fler exotiska superledare inklusive järnbaserade halvledare är belägna nära BCS-BEC crossover-regimen. Kopplingsstyrkorna är emellertid inte tillräckligt höga för att nå BEC -gränsen bortom crossover -regimen på grund av komplexa aktiviteter som låg bärartäthet, starka elektronkorrelationseffekter och magnetisk ordning som grumlar fenomenen. Som ett resultat, fysiker återstår för att tydligt demonstrera BCS-BEC crossover under studien av superledare. I det här arbetet, Nakagawa et al. studerade superledaren Li x ZrNCl - en litiuminterkalerad skiktad nitrid för att förstå fenomenen.
Undersöker superledaren
Tunnelspektroskopi av LixZrNCl. (A) Symmetrerade och normaliserade tunnelspektra vid 2 K. Vid varje dopningsnivå, spektra vid 55 K används för normalisering för att avlägsna biasand x-beroende bakgrund efter subtraktion av kanalresistivitet (15, 27). (B) Dopberoende av supraledande gap ∆ (överst) och dess förhållande till den kritiska temperaturen Tc (nedre). BCS -teorin förutsäger 2∆/kBTc =3,52 (streckad linje). Öppna symboler är mätvärden i polykristallina prover (29). (C) Tunnelspektra vid x =0,0066 för olika temperaturer normaliserade vid 55 K utan symmetrisering. Insats:temperatursökning av noll-bias-konduktans (ZBC), dI/dV vid V =0. Gapöppningstemperatur T* bestäms av en 1% minskning av ZBC. (D) ∆ vid x =0,0066 (cirklar) och 0,13 (diamanter) som funktion av temperaturen. Hela linjer indikerar BCStype -gapfunktionen med Tc bestämd av den resistiva övergången. (E) Fasdiagram för LixZrNCl. Temperaturregimen mellan Tc och T* representerar pseudogap -tillståndet. Felet med bärartäthet uppskattas genom mätningar i flera Hall -sonder. Insats:förhållandet mellan T* och Tc. Kredit:Vetenskap, doi:10.1126/science.abb9860.
I Li x ZrNCl superledare, litiumlevererade elektroner till det dubbla honungskakans ZrN -lager, som bildade en bandisolator i frånvaro av dopning. Forskare hade tidigare genomfört enkristallmätningar av orörda ZrNCl med hjälp av joniska gating-metoder. I det senaste arbetet har Nakagawa et al. introducerade en modifierad enhetsstruktur och noterade en dimensionell crossover från anisotropa tredimensionella (3D) till 2D-superledare genom att minska bärartätheten. I det här arbetet, teamet detaljerade Li:s supraledningsbeteende x ZrNCl i en ännu lägre bärartäthet. Forskarna använde en jonisk gating-konstruktion och förberedde smala elektroder för tunnelspektroskopi på kanalområdet mellan käll- och avloppselektroderna och täckte enheten med en poly (metylmetakrylat) (PMMA) resist. Under grindspänning (V G ) applikationer, laget spårade interkalationsprocessen genom mätning av käll-dräneringsström. Den resistiva övergången i den starkt dopade regimen var skarp, medan den väsentligt utvidgades i den lätt dopade regimen för att representera en dimensionell övergång från anisotropisk 3D till 2D -superledare.
Den dimensionella crossoveren
3D till 2D dimensionell crossover av superledaren inträffade på grund av minskad bärartäthet för att därför bilda ett unikt och oväntat fenomen för att möjliggöra crossover. Teamet krediterade funktionen till rhombohedral stapling av ZrNCl -lager, där enheten innehöll tre lager. Med hjälp av densitetsfunktionella teoriberäkningar, de bekräftade de experimentella resultaten. Under kylningsprocessen, forskarna utförde tunnelspektroskopi, där den minskande bärartätheten motsvarade en starkare koppling. Nakagawa et al. diskuterade också pseudo-gap-tillstånden i flera material och jämförde dem med det nuvarande systemet. Li x ZrNCl-material erbjöd en enklare testbädd eftersom dess bandisolator var fri från elektronkorrelationseffekter, magnetiska ordningar och densitetsvågor. Teamet krediterade det pseudo -gapstatus som observerades i Li x ZrNCl till förformad parbildning under BCS-BEC crossover-fenomenet. De markerade sedan en bulkstudie, där NMR -mätningar på polykristallint Li x ZrNCl -prover visade ett pseudogap -tillstånd på den höga dopningssidan av den superledande kupolen.
BCS-BEC crossover i supraledande LixZrNCl. (A) Dopningsberoende av förhållandet mellan supraledande gap och Fermi -energi (∆/EF) (överst) och förhållandet mellan interpartikelavstånd och koherenslängd (1/kFξ) (botten). Det orange området representerar BCS-BEC crossover-regimen (22). Öppna trianglar är mätvärden från specifik värmemätning (29). (B) Fasdiagrammet för BCS-BEC crossover. Gap öppningstemperatur T*, kritisk temperatur Tc och kritisk temperatur för BKT -övergång TBKT normaliseras av Fermi -temperatur TF och plottas som funktioner för ∆/EF med röda sfärer, mörkblå diamanter, och rosa rutor, respektive. Den streckade linjen representerar den teoretiskt förutsagda övre gränsen, TBKT/TF =0,125. Insats:Tc/TF och TBKT/TF som funktioner för 1/kFξ. (C) Uemura -plot:Kritisk temperatur kontra Fermi -temperatur ritas för olika superledare. När x minskar, LixZrNCl avviker från BCS -gränsen, anländer till crossover -regionen efter att ha passerat det skuggade området, där de flesta okonventionella supraledarna finns (8). Den streckade linjen betecknad som "BEC i 3D" representerar den kritiska temperaturen i BEC -gränsen i 3D Fermi -gassystem, Tc =0,218 TF (2). Den andra streckade linjen, betecknas som "Limit in 2D", motsvarar den allmänna övre gränsen för TBKT =0,125 TF i alla 2D -fermioniska system. Kredit:Vetenskap, doi:10.1126/science.abb9860. 
På det här sättet, Yuji Nakagawa och kollegor visade 2D BCS-BEC crossover genom att systematiskt justera kopplingsstyrkan hos superledare i Li x ZrNCl -prover. Teamet insåg 2D BCS-BEC crossover på grund av den dimensionella crossoveren från den anisotropa 3D till 2D genom att minska bärartätheten för proverna. De jämförde denna crossover med arrays av 2D -moln av Fermi -gaser, varvid alltför dimensionalitet påverkades av kopplingsstyrkan. Ytterligare studier om fenomenet hjälper till att främja förståelsen av fermionkondensationsfysik.
© 2021 Science X Network
