Hvilken fysisk mekanisme er ansvarlig for cupraternes magnetiske egenskaber ved doping?

Et internationalt hold af forskere har identificeret og bevist, at tilsætning af urenheder med en lavere koncentration af elektroner stabiliserer den antiferromagnetiske tilstand af cuprater, højtemperatur superledende forbindelser baseret på kobber. Forskerholdet, ledet af en senior fellow ved Ural Federal University, Evgeny Stepanov, har offentliggjort resultaterne af undersøgelsen i npj Kvantematerialer .

"Vi studerer kollektive elektroniske effekter i forskellige materialer, især i dem, der er karakteriseret ved ret stærk elektron-elektron interaktion, " siger Evgeny. "Denne interaktion fører til sådanne effekter som ladningsbestilling, magnetisme, superledende stat og andre. I denne artikel, vi undersøgte, hvordan cupraternes egenskaber ændres, når urenheder tilsættes systemet for at reducere elektronkoncentrationen i materialet. Som regel, sådan en proces kaldes huldoping, og fraværet af en elektron kaldes et hul."

Det er kendt, at cuprater er antiferromagneter i normal tilstand. Ved doping, ændringen i de magnetiske egenskaber af forskellige cuprater kan forekomme i to scenarier:enten ødelægges antiferromagnetisme og går i en skrå antiferromagnetisk tilstand, eller huller begynder at danne deres egen magnetiske tilstand, som er karakteriseret ved et vist bølgetal.

"I forbindelsen, der blev undersøgt, vi var vidne til det andet scenarie, hvor antiferromagnetisme er stabiliseret på grund af stærke elektroninteraktioner. Hullerne danner deres magnetiske tilstand, som efterlader den antiferromagnetiske tilstand uændret stigende med doping, " forklarer Evgeny Stepanov. "Det, der er vigtigt, er, at denne proces forekommer i en bred vifte af elektronkoncentrationer. Dette tillader den antiferromagnetiske tilstand at være i resonans ved en bestemt energi. Det vides stadig ikke med sikkerhed, hvilken fysisk mekanisme der præcist fører til fremkomsten af ​​superledning i disse materialer. Da vi ikke er den eneste gruppe, der studerer disse materialer, der er en teori om, at det er denne resonante antiferromagnetiske, der er ansvarlig for den superledende tilstand i cuprates."

Superledningsevne er materialernes egenskab til at have nul elektrisk modstand. I denne tilstand, elektroner kan bevæge sig frit i et materiale, overføre en elektrisk ladning. Som regel, den superledende tilstand realiseres ved en tilstrækkelig lav temperatur på flere titusgrader på Kelvin-skalaen og/eller ved højt tryk. Så ved stuetemperatur, den superledende tilstand kan ikke opnås endnu.

Fra et eksperimentelt synspunkt, cuprates er allerede blevet grundigt undersøgt. Teoretisk set, det er ret svært at forstå, hvad der sker i disse materialer under påvirkning af huldoping, og hvorfor de udviser sådanne egenskaber. "Årsagen er meget stærk elektron-elektron interaktion, som ikke tillader brug af standardteoretiske metoder til at beskrive elektroniske egenskaber i sådanne materialer, " sagde videnskabsmanden. "Vores opgave er at bruge de mere avancerede metoder, vi udviklede, prøv teoretisk at forklare tilstedeværelsen af ​​en resonant antiferromagnetisk tilstand og se, hvad der sker med denne tilstand ved doping."

Dermed, resultaterne opnået af forfatterne gør det muligt at bestemme, hvilken fysisk mekanisme der stabiliserer den resonante antiferromagnetiske tilstand, som muligvis er ansvarlig for høj-temperatur superledning i cuprates.