Fysiker vid Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) har gjort en upptäckt som kan öka förståelsen för rollen av intrassling i högtemperatursuperledare av kopparoxid. Lågenergikvasipartiklarna i dessa gåtfulla kvantmaterial, så kallade Zhang-Rice-singletter, visade sig vara anmärkningsvärt motståndskraftiga mot extrem oordning.
Denna överraskande motståndskraft i en annars glasartad elektronisk bakgrund möjliggörs av kvantintrassling - en form av kvantbindning som intimt knyter ihop ett hål och ett spinn till en effektiv kvasipartikel och gör det svårare för partikeln att sprida bort en förorening. Studien publiceras i Physical Review Letters .
Föreställ dig ett par som går hand i hand över marknadsplatsen en hektisk dag:om det vill flytta från den ena sidan till den andra måste folkmassan kliva åt sidan, lokalt skingra människorna i omgivningen och bromsa sin egen rörelse . När de sågs uppifrån, skulle paret och deras kringgående omgivning till synes röra sig som en enhet. Denna enhet är vad fysiker av kondenserad materia kallar en kvasipartikel, nämligen effektiva partiklar som bestämmer lågenergiexcitationsspektrumet för ett fast ämne.
I en metall består kvasipartiklarna vanligtvis av en elektron omgiven av ett polarisationsmoln av andra elektroner, med elektron- och polarisationsmoln som rör sig koherent. I ett verkligt system sprider dessa kvasipartiklar bort orenheter och oordning. Om vi går tillbaka till vår fiktiva marknadsplats betyder det att våra två lovebirds inte bara kan gå igenom ett hinder, som en lyktstolpe, som står i vägen för dem. Istället skulle de behöva gå runt den och bromsa parets rörelse igen. I en riktig metall gör detta att elektronerna sprider föroreningar, vilket hindrar elektronernas rörelse och skapar elektriskt motstånd.
I den publicerade studien rapporterar teamet inklusive forskare från JMU att kvasipartiklarna i kupratmaterial uppenbarligen inte följer denna spridningsregel. Dessa material har en komplex struktur av kopparoxidskikt och är allmänt kända för sin rekordhöga supraledning vid hög temperatur när de är dopade. Deras kvasipartiklar är Zhang-Rice singlets (ZRS), intrasslade kompositpartiklar där ett syrehål samsas med en kopparvakansspin, som rör sig genom kristallen som ett dansande par.
Forskarna från Würzburg testade dessa kvasipartiklar i en extremt oordnad kupratmiljö där upp till 40 % av kopparatomerna ersattes av litium. Oordningen är alltså så enorm – vår "marknadsplats" är så full av hinder – att den för de normala elektronerna helt stilla.
Fysiker kallar ett sådant system för ett icke-ergodiskt glassystem eftersom partiklar nu fortplantar sig mycket långsammare jämfört med de typiska experimentella tidsskalorna. Med andra ord finns det inget mer fram och tillbaka för besökarna på vår marknadsplats, och ingenting rör sig längre.
Zhang-Rice-singlarnas fascinerande dans av hål och spin inom denna kvantunion – trots alla odds – är dock helt opåverkad av föroreningarna som står i deras väg. Deras kvantintrassling hindrar dem från att spridas, och de rör sig bara genom systemet – som om "marknadsplatsen" var utan hinder.
Studien har avslöjat det första uppträdandet av Zhang Rice-singletter i ett kupratbaserat elektronglas och visat den framväxande osårbarheten hos ZRS-kvasipartiklar på grund av kvantintrassling. Sådana fynd kan få långtgående konsekvenser inte bara för vår förståelse av kupratsupraledarna, utan också för framtida teknologier baserade på kvantkoherens.
Speciellt kan förmågan att stabilisera kvanttillstånd med avseende på yttre störningar med hjälp av kvanttrassling spela en avgörande roll i förverkligandet av kvantberäkning.
Mer information: A. Consiglio et al, Elektronglasfas med elastiska Zhang-ris-singletter i LiCu3O3, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.126502
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev
Tillhandahålls av Julius-Maximilians-Universität Würzburg
