Ny forståelse af superlederes normale tilstand kan åbne vejen for at løse mangeårige puslespil

Siden opdagelsen for to årtier siden af ​​den ukonventionelle topologiske superleder Sr ₂ RuO ₄ , forskere har grundigt undersøgt dets egenskaber ved temperaturer under dens 1 ° K kritiske temperatur (Tc), hvor en faseovergang fra en metal til superledende tilstand forekommer. Nu eksperimenter udført ved University of Illinois i Urbana-Champaign i Madhavan og Abbamonte laboratorier, i samarbejde med forskere ved seks institutioner i USA, Canada, Det Forenede Kongerige, og Japan, har kastet nyt lys over de elektroniske egenskaber af dette materiale ved temperaturer 4 ° K over Tc. Teamets resultater kan belyse endnu uafklarede spørgsmål om Sr ₂ RuO ₄ s nye egenskaber i den superledende tilstand.

Vidya Madhavan, en fysikprofessor og medlem af Frederick Seitz Materials Research Lab ved U. of I., ledet forsøget. Hun forklarer, "Vi begyndte med den udbredte antagelse, at i Sr ₂ RO ₄ er normal metallisk tilstand over dens Tc, elektronernes vekselvirkning ville være tilstrækkeligt svag, så spektret af ophidselser eller elektroniske tilstande ville være veldefineret. "

Madhavan fortsætter, "Imidlertid, og det er en stor overraskelse, vores team observerede store interaktionseffekter i den normale metalliske tilstand. Elektroner i metaller har veldefineret momentum og energi. I simple metaller, ved lave temperaturer optager elektronerne alle momentumtilstande i et område afgrænset af en 'Fermi -overflade'. Her fandt vi ud af, at elektronernes hastighed i nogle retninger over Fermi -overfladen blev reduceret med omkring 50 procent, som ikke forventes. Vi så lignende interaktionseffekter i staternes tunneltæthed. Dette er en markant reduktion, og det var en stor overraskelse. Vi troede, at vi bare ville finde formen på Fermi -overfladen, men i stedet, vi får disse anomalier. "

Eduardo Fradkin, en fysikprofessor og direktør for Institute for Condensed Matter Theory ved U. of I., kommentarer, "Dette materiales grundlæggende elektroniske egenskaber har været kendt i nogen tid. Forskere studerer dette materiale, fordi det formodes at være et simpelt system til test af videnskabelige effekter. Men materialet har også været en kilde til løbende debat på området:dette er en p-bølge superleder, med spin-triplet-parring. Dette har antydet, at den superledende tilstand kan være topologisk. At forstå, hvordan dette system bliver superledende, er et åbent og spændende spørgsmål. "

Gennembruddet til forståelse af de forvirrende egenskaber ved materialets superledende tilstand kan ligge i denne unormale normale (ikke-superledende) tilstand. I en konventionel normal metallisk tilstand ved lav temperatur, de elektroniske tilstande opfører sig som veldefinerede kvasi-partikler, som beskrevet af Landau-Fermi væsketeorien. Men forskerne fandt anomalier i partikelinteraktionerne ved 5 ° K, der rent faktisk kendetegner Sr ₂ RuO ₄ som et "stærkt korreleret metal."

I forsøget, Madhavans team sendte elektroner ind i materialet ved hjælp af en elektronisk metallisk spids, målte derefter den resulterende strøm ved hjælp af to meget avancerede og komplementære teknikker, Fourier transform scanning tunneling spektroskopi og momentum løst elektron energitab spektroskopi. I fire datakørsler, forskerne fandt en væsentlig ændring i sandsynligheden for elektrontunnel nær nul energi, sammenlignet med Fermi-væsker.

"Vi var overraskede over at se så meget rig information, "deler Madhavan." Vi begyndte at tale med Eduardo om teorien og med Peter Abbamonte om hans eksperimenter. Abbamontes gruppe, anvendelse af teknikken med momentumopløst elektronenergitabspektroskopi, finder også interaktioner med kollektive tilstande ved de samme energier. "

"Det åbne spørgsmål nu, vi fandt noget interessant ved 4 ° K over den superledende faseovergang. Hvilken betydning har dette for, hvad der sker under den superledende temperatur? "Fortsætter Madhavan. Holdet planlægger at gå nærmere ind på det spørgsmål næste:" Når Vidya går til den superledende tilstand, vi ved mere, "Fradkin bekræfter." Disse fund vil gøre det muligt for hende at tage en unik tilgang til at afsløre den superledende ordreparameter for dette materiale i kommende eksperimenter. "

Forud online offentliggørelse af disse resultater dukkede op 8. maj, 2017, i Naturfysik .