Orbital-selektiv parringsteori anvendt på den første tunge fermion-superleder

En teori fra 2017 foreslået af fysikere fra Rice University for at forklare den modstridende adfærd hos en jernbaseret høj temperatur superleder hjælper med at løse et puslespil i en anden type ukonventionel superleder, "tung fermion" -forbindelsen kendt som CeCu ₂ Si ₂ .

Et internationalt hold fra USA, Kina, Tyskland og Canada rapporterede resultaterne i denne uge i Procedurer fra National Academy of Sciences (PNAS). Undersøgelsen fokuserede på et cerium, kobber og siliciumkomposit, hvis mærkelige adfærd i 1979 hjalp med at indlede det tværfaglige område af kvantematerialer.

Det år, et team ledet af Max Planck Institutes Frank Steglich, en medforfatter på PNAS papir, fandt ud af, at CeCu ₂ Si ₂ blev en superleder ved ekstremt kolde temperaturer. Superledningens mekanisme kunne ikke forklares med eksisterende teori, og fundet var så uventet og usædvanligt, at mange fysikere oprindeligt nægtede at acceptere det. Opdagelsen af ​​superledning i 1986 ved endnu højere temperaturer i kobberkeramik krystalliserede interessen i feltet og kom til at dominere karrieren hos teoretiske fysikere som Rices Qimiao Si, -en PNAS studere medforfatter og Harry C. og Olga K. Wiess Professor i fysik og astronomi.

Si, hvis årtiers lange samarbejde med Steglich har ført til næsten to dusin peer-reviewed undersøgelser, sagde, "I mine vildeste drømme, Jeg havde ikke troet, at den teori, vi foreslog for de jernbaserede superledere, ville komme tilbage til den anden del af mit liv, som er tung-fermion superledere. "

Tunge fermioner, som høj temperatur superledere, er, hvad fysikere kalder kvantematerialer på grund af den centrale rolle, kvantekræfter spiller i deres adfærd. I super-temperatur superledere, for eksempel, elektroner danner par og flyder uden modstand ved temperaturer betydeligt varmere end dem, der er nødvendige for konventionel superledning. I tunge fermioner, elektroner ser ud til at være tusinder af gange mere massive end de burde.

I 2001, Si, der også leder Rice Center for Quantum Materials (RCQM), tilbød en banebrydende teori om, at disse fænomener opstår på kritiske overgangspunkter, vendepunkter, hvor ændringer i tryk eller andre forhold medfører en overgang fra en kvantetilstand til en anden. Ved vendepunktet, eller "kvantekritisk punkt, "Elektroner kan udvikle en slags delt personlighed, når de forsøger at grænsen mellem stater.

Sagen om superledelse illustrerer, hvordan dette kan spille sig ud. I en normal kobbertråd, elektrisk modstand opstår, når flydende elektroner skubber og støder mod atomer i tråden. Hver bump koster en lille mængde energi, som går tabt ved varme. I superledere, elektronerne undgår dette tab ved at parre sig og flyde i fællesskab, uden stød.

Fordi elektroner er blandt de mest antisociale af subatomære partikler, de afviser hinanden og parrer sig kun under ekstraordinære omstændigheder. I tilfælde af konventionelle superledere, små variationer i afstanden mellem atomer i en afkølet ledning kan lokke elektronerne til et bekvemmelighedsægteskab. Mekanismen i ukonventionelle superledere er anderledes.

"Vores samlende forståelse er, at hvis to elektroner arbejder virkelig hårdt for at frastøde hinanden, der kan stadig være en attraktiv kraft, "Sagde Si." Hvis jeg bevæger mig, fordi jeg ikke kan lide at være tæt på dig, og du gør det samme, og alligevel kan vi ikke være for langt fra hinanden, det bliver en slags dans. Parrene i høj-temperatur superledere bevæger sig i forhold til hinanden, ikke ulig to dansepartnere, der spinder, selvom de bevæger sig sammen på tværs af dansegulvet. "

2017-teorien fremsat af Si og dengang kandidatstuderende Emilian Nica, nu en postdoktoral forskningsassistent ved University of British Columbia's Quantum Materials Institute, påstod, at selektiv parring inden for atomorbitaler kunne forklare nogle forvirrende eksperimentelle resultater fra nogle af superledere med højeste temperatur, alkaliske jern selenider.

Nogle eksperimenter havde vist, at parrene i selenider med alkalisk jern opførte sig som om de havde et vinkelmoment på nul, som fysikere refererer til med udtrykket s-wave, mens andre eksperimenter indikerede, at parrene havde en vinkelmoment på to, som fysikere kalder d-bølge. Denne forskel er dyb, fordi vinkelmoment er en grundlæggende identifikator for elektroner. Ligesom æbler og appelsiner findes i forskellige skraldespande i købmandshistorien, s-bølge og d-bølge parringer blandes ikke og findes i forskellige materialer.

"Hvad Nicas tese introducerede var, at du kan have en superledende tilstand, hvor elektronpar forbundet med en orbital i en subshell er meget forskellige fra en anden nært beslægtet orbital i samme subshell, fordi de har et modsat tegn, "Sagde Si.

"Grunden til, at vi foreslog denne multi-orbital parringstilstand, var fordi målinger af nogle ting, som magnetiske reaktioner, ville vise, at de alkaliske jernselenider havde kanoniske d-bølgeegenskaber, og andre målinger, som vinkelopløst fotoemission, afslørede attributter forbundet med s-wave superledere.

"Eksperimenterne i den jernbaserede superleder var allerede udført, og vi tilbød en forklaring, en parringstilstand, der var både stabil og robust, og alligevel havde alle disse tilsyneladende modstridende egenskaber, der blev observeret eksperimentelt. "

Da eksperimenter i 2017 i Japan afslørede nogle forvirrende egenskaber i CeCu ₂ Si ₂ , Si fortalte Steglich, at den orbital-selektive teori måske kunne redegøre for dem. Sammen, de gik sammen med det eksperimentelle team af fysiker Huiqiu Yuan, vicedirektør for Center for Correlated Matter ved Zhejiang University i Hangzhou, Kina, at teste ideen.

Si og Nicas teori forudsagde, at eksperimenter ville afsløre et specifikt sæt tilsyneladende modstridende målinger fra CeCu2Si2, forudsat at materialet kunne afkøles til en temperatur, der er endnu koldere end det vippepunkt, der medfører superledning. Yuans gruppe udførte eksperimenterne og bekræftede forudsigelsen.

"Historisk bevis har altid været, at parringen i dette materiale er d-bølge, "Sagde Nica." Men eksperimenterne bekræftede, at trods alt det overvældende bevis på, at det er d-wave, den har en funktion kaldet 'fuldt åbnede huller', der normalt er forbundet med s-wave superledere. Vores er den eneste teori, der tilbydes hidtil, der kan redegøre for dette. "

Si sagde, "Det er enormt tilfredsstillende på flere niveauer. Det ene er, at selvom kondenseret fysik tilbyder mange materialer, der kan rumme fascinerende egenskaber, vi søger i sidste ende forenende principper, især som teoretikere. Jeg har aktivt søgt efter disse samlende principper i årevis, men vi søgte ikke aktivt en samlende forklaring, da vi foreslog denne teori. For at se det anvendes, med sådan virkning, i en anden helt uventet ramme var en reel overraskelse. "