Under de senaste åren har många fysiker och materialforskare undersökt supraledning, det fullständiga försvinnandet av elektriskt motstånd som observerats i vissa fasta material. Supraledning har hittills främst observerats i material som kyls till mycket låga temperaturer, vanligtvis under 20 K.

Vissa material uppvisar dock supraledning vid höga temperaturer, över 77 K. Många av dessa material, även kända som högtemperatursupraledare, är kända för att vara antiferromagneter.

En aspekt av högtemperatursupraledning som fysiker har försökt förstå bättre är bildningen av par av mobila dopämnen i antiferromagneter, vilket har observerats i antiferromagnetiska högtemperatursupraledare. Trots omfattande studier inom detta område har den mikroskopiska parningsmekanismen som ligger till grund för dessa starkt korrelerade system ännu inte definierats allmänt.

Forskare vid Munich Center for Quantum Science and Technology (MCQST), Ludwig Maximilan University of München, ETH Zürich och Harvard University har nyligen avslöjat högtemperaturparning av mobila laddningsbärare i dopade antiferromagnetiska Mott-isolatorer. Deras artikel, publicerad i Nature Physics , skulle kunna kasta nytt ljus över bildandet av mobila par av dopämnen i antiferromagneter.

"Eftersom vi hade studerat enkeldopantproblemet i stor detalj tidigare, var nästa logiska steg att studera par av hål," sa Fabian Grusdt, en av forskarna som genomförde studien, till Phys.org. "Så, för några år sedan började vi generalisera några av våra tidigare resultat till fallet med två dopanter och hittade första analytiska insikter om den starka parningsmekanismen som kan binda samman hål. Men vi insåg snabbt att den ömsesidiga uteslutningsegenskapen hos två hål i enskiktsinställningar är ett betydande hinder för parning."

Medan de genomförde sina studier insåg Grusdt och hans kollegor till slut att tvåskiktsmaterial kunde vara idealiska plattformar för att undersöka bildandet och parningen av laddningsbärare, eftersom i dessa material den strängbaserade parningsmekanismen de observerade kan utvecklas med sin fulla styrka. På grund av deras egenskaper och experimentella relevans beslutade teamet att studera dessa material.

"Vi insåg snabbt att parningsmekanismen vi förutspådde skulle leda till avsevärt förbättrade bindningsenergier och skulle därför vara direkt tillgänglig för nuvarande ultrakalla atomsystem," sa Grusdt. "När vi förstod den nya mekanismen, gjorde dess konceptuella skönhet och enkelhet oss oroliga ett tag för att konkurrerande grupper kanske redan följer liknande tillvägagångssätt, men i slutändan belönades vårt entusiastiska arbete."

Den nya mekanismen som avslöjades av Grusdt och hans kollegor inträffar först i en begreppsmässigt enklare regim, känd som den "tight-bindande" regimen. Huvudtanken bakom denna mekanism är att två parade laddningar bara "betalar" den energi som krävs för att bryta en, snarare än två, antiferromagnetiska bindningar.

Genom att para ihop laddningar från två olika lager av materialet i den blandade dimensionella miljön som används av forskarna, kan den kinetiska energin hos laddningarna, som vanligtvis dominerar alla energiskalor, undertryckas. Å andra sidan, i den begreppsmässigt mer komplexa "starka kopplingsregimen", härrör "limmet" som krävs för att para två laddningar från en rad förskjutna antiferromagnetiska bindningar.

"Att skapa denna sträng kostar betydande magnetisk energi, men totalt sett får laddningarna tillräcklig kinetisk energi genom att följa varandras vägar," förklarade Grusdt. "För att uttrycka det tydligt:​​de mobila dopämnena kan röra sig i en starkt korrelerad konsert och delokalisera tillräckligt för att dominera även en stor potentiell energibarriär som försöker lossa dem. I själva verket avslöjade vi ett intrikat samspel av kinetiska och magnetiska energiskalor, vilket i slutändan tillåter en bindning av energier som systematiskt överstiger de som kan förverkligas i den hårt bindande regimen."

Det senaste arbetet av Grusdt och hans kollegor avslöjar en anmärkningsvärt stark parningsmekanism som kan hanteras analytiskt i ett brett spektrum av parametrar. Detta är en särskilt anmärkningsvärd prestation, eftersom studier inom detta område av fysik vanligtvis är beroende av beräkningstunga numeriska simuleringar.

"På kort sikt är den mest betydande implikationen av vårt arbete förmodligen den experimentella genomförbarheten av vårt tillvägagångssätt, vilket helt nyligen har lett till den länge eftersökta experimentella observationen av parning i ett Hubbard-liknande system av ultrakalla atomer," tillade Grusdt. "På lång sikt tror vi att vårt tillvägagångssätt möjligen kan motivera designen av nya material med avsevärt förbättrade supraledande temperaturer."

I framtiden kan studien som genomfördes av Grusdt och hans kollegor och mekanismen de avslöjade bana väg mot design och tillverkning av material som uppvisar supraledning vid betydligt högre temperaturer. Dessutom kan det hjälpa till att förbättra den nuvarande förståelsen av parningsmekanismen som ligger bakom supraledning vid hög temperatur.

"Vi planerar nu att använda våra senaste resultat som en iscensättning för ytterligare studier av hålparning i starkt korrelerade kvantsystem," tillade Grusdt. "Vi vill till exempel överväga ytterligare fononförband för att ta reda på om det skulle förbättra eller minska bindningsenergierna."

I sina nästa studier planerar forskarna också att studera excitationsspektra för parade laddningar mer på djupet, för att avgöra hur relevanta deras resultat är för parningsmekanismerna som beskrivs av Fermi-Hubbard-modellen med vanlig vanilj. Dessutom skulle de vilja undersöka om ännu mer exotiska strukturer sammansatta av mobilladdningar och strängar skulle kunna bildas i mer starkt frustrerade regimer av fasdiagrammet. + Utforska vidare

Bandkorsning och magnetiskt fasdiagram för supraledande Ba2CuO4-δ

© 2022 Science X Network