Forskere finder et andet spor til at forklare ukonventionel superledning

Fysikere ved det amerikanske energiministeriums Ames Laboratory har med succes udført målinger af en jernbaseret superleder i et vigtigt, men svært tilgængeligt regime, hvor kritiske kvanteudsving dominerer fysikken. Ved at bruge en ny sanseteknik, de kortlagde nøjagtigt kvantefaseovergang - et fænomen, der er teoretiseret til at være tæt koblet til superledning - dybt inde i den superledende tilstand.

Det innovative eksperimentelle setup, kaldet et nitrogen ledighed (NV) magnetoskop, er meget følsom, praktisk talt ikke-invasiv, og mere præcise end dem, der tidligere blev brugt til at udforske lignende fysik i superledende materialer.

"Dette er et virkelig fascinerende resultat i videnskaben om superledere - at få et klart billede af, hvordan kvantefaseovergang eksisterer sideløbende med superledning. Det ser ud til, at den superledende fase beskytter kvantekritisk adfærd mod virkningerne af uorden. Dette er ret bemærkelsesværdigt!" sagde Prozorov, en Ames Laboratory fysiker. "Når vi fortsætter med at studere andre materialer med denne nye kapacitet, det vil hjælpe med at besvare vigtige teoretiske spørgsmål om oprindelsen af ​​ukonventionel superledning."

Holdet brugte NV-skopet til nøjagtigt at måle Londons penetrationsdybde, som er den dybde, som et magnetfelt trænger ind i en superleder fra dens overflade. Denne dybde er direkte relateret til den effektive elektronmasse, som er den mængde, der påvirkes af kvantefluktuationer og signalerer eksistensen af ​​kvantefaseovergang. Ved systematisk at måle forskellige sammensætninger af en jernpnictidforbindelse, Ba(Fe, Co) ₂ Som ₂ , dyrket på Ames Laboratory af Paul Canfields forskningsgruppe, Prozorovs team kunne kortlægge tilstedeværelsen af ​​kvantefaseovergangen, der normalt er skjult under superlednings "dome, ", når temperaturen nærmer sig det absolutte nulpunkt.

Prozorov leder et team af forskere i sit lavtemperaturlaboratorium på Ames Laboratory, undersøger superlederes spændende adfærd, og forsøg på at udrede, hvordan forskellige kvantefænomener påvirker deres ydeevne. De har specialiseret sig i udviklingen af ​​unikke ultrahøj præcision og følsomme eksperimentelle teknikker til at måle det optiske, magnetiske og elektriske signaturer af denne adfærd. NV-skopet blev bygget fra bunden af ​​i Ames Laboratory af stabsforsker Naufer Nusran og kandidatstuderende Kamal Joshi. Det er et optisk magnetometer, der udnytter kvantetilstanden af ​​en bestemt slags atomare defekt, kaldet nitrogen-vacancy (NV) centre, i diamant. Nusran udtænkte også den nye måde at anvende NV-centrene til at måle lavere kritiske felter, der fører til Londons penetrationsdybde.

"London penetrationsdybde er en af ​​de mest fundamentale parametre, der beskriver superledere; den fortæller dig dybest set, hvor robust superledning er, " sagde Prozorov. "Jeg har målt denne mængde ved hjælp af forskellige teknikker i det meste af min forskningskarriere, og NV-sensing repræsenterer et betydeligt fremskridt inden for eksperimentel superledning."

For syv år siden, Prozorovs laboratorium var en del af et internationalt forskningssamarbejde, der fandt det første klare bevis på, at kvantekritisk punkt (QCP) overlevede dybt i den superledende tilstand. Det nuværende arbejde, bruge nye metoder, undersøger superledende systemer med en betydelig mængde uorden. Sammen, disse værker beviser, at kvantefaseovergang og kritiske fluktuationer ikke kun eksisterer side om side med superledning, men kan endda være beskyttet af det mod virkningerne af uorden. Resultaterne er endnu et vigtigt spor til at løse mysteriet om jernbaseret superledning.

"Endnu, der er meget mere at lave, for fuldt ud at udforske videnskaben om ukonventionelle superledere generelt. For det, nyere og mere sofistikerede metoder til kvanteregistrering skal udvikles." sagde Nusran. Nye kvanteregistreringsmetoder, der kan sondere kvantesvingninger på nanoskalaen, ville muliggøre et dybere kig på konkurrerende og sameksisterende kvantefaser i højtemperatursuperledere og mange andre materialevidenskabelige problemer."Disse nye egenskaber vil i sidste ende kaste lys over de begrænsende betingelser og gennemførligheden af ​​superledere og andre kvantematerialer til teknologiske anvendelser."

Forskningen diskuteres yderligere i papiret, "Kvantefaseovergang inde i den superledende kuppel af Ba(Fe _1-x Co _x ) ₂ Som ₂ fra diamantbaseret optisk magnetometri" forfattet af Kamal R. Joshi, Naufer Nusran, Makariy A. Tanatar, Kyuil Cho, Sergey L Bud'ko, Paul C Canfield, Rafael M Fernandes, Alex Levchenko og Ruslan Prozorov; og offentliggjort i New Journal of Physics .