Fysikere viser, at kvantematerialer kan indstilles til superledning

Nogle jernbaserede superledere kunne have fordel af en tuneup, ifølge to undersøgelser af fysikere og samarbejdspartnere fra Rice University.

"Vores arbejde demonstrerer et nyt designprincip for tuning af kvantematerialer for at opnå utraditionel superledning ved højere temperaturer, "sagde Rices Qimiao Si, den ledende teoretiske fysiker på studierne, som undersøger usædvanlige mønstre af superledning, som tidligere er blevet rapporteret i jernselenid.

"Vi viser, hvor nematisk, en usædvanlig elektronisk ordre, kan øge chancerne for, at superledning vil opstå ved elektronparring i bestemte orbitaler, "sagde Si, direktør for Rice Center for Quantum Materials (RCQM) og Harry C. og Olga K. Wiess professor i fysik og astronomi. "Tuning af materialer for at forstærke denne effekt kan fremme superledning ved højere temperaturer."

Elektrisk strøm opvarmer ledninger, takket være at der skubbes utallige elektroner, som mister energi hver gang de støder på noget. Omkring 6 procent af elektriciteten på amerikanske elnet går tabt til denne opvarmning, eller elektrisk modstand, hvert år. I modsætning, elektronerne i superledere danner par, der flyder ubesværet, uden modstand eller varme.

Ingeniører har længe drømt om at udnytte supraledelse til energieffektiv computing, elnet og mere, men elektroner er berygtede ensomme, det mest undersøgte medlem af en kvantefamilie kaldet fermioner. Fermions er så imod at dele plads med hinanden, at de har været kendt for midlertidigt at blinke ud af eksistensen i stedet. På grund af deres quirky kvante karakter, coaxing elektroner til at danne par kræver ofte ekstreme forhold, som intenst tryk eller temperaturer koldere end dybt rum.

Utraditionel superledning - den slags, der forekommer i materialer som jernselenid - er anderledes. Af grunde kan fysikere ikke helt forklare, elektroner i ukonventionelle superledere danner par ved relativt høje temperaturer. Adfærden er blevet dokumenteret i snesevis af materialer i løbet af de sidste 40 år. Og selvom den nøjagtige mekanisme stadig er et mysterium, fysikere som Si har lært at forudsige, hvordan utraditionelle superledere vil opføre sig i nogle situationer.

I de nye undersøgelser, Si, Ris-kandidatstuderende Haoyu Hu og samarbejdspartnere brugte en teoretisk model for "orbital-selektiv parring" til både at forklare tidligere eksperimentelle resultater fra jernselenid og til at forudsige, hvordan det og andre materialer vil opføre sig under andre omstændigheder. Holdet omfattede Haoyu Hu, kandidatstuderende ved Rice University, Rong Yu fra Renmin University of China, Emilian Nica fra Arizona State University og Jian-Xin Zhu fra Los Alamos National Laboratory. I sin model, elektroner i nogle atomskaller er mere tilbøjelige til at danne par end andre. Si sagde, at en måde at visualisere dette er ved at tænke på atomorbitaler som baner på en motorvej.

"Biler kører med forskellige hastigheder i forskellige baner, "sagde han." Vi forventer, at de i venstre vognbane bevæger sig hurtigst, men det er ikke altid tilfældet. Når mange biler er på motorvejen, andre baner bevæger sig muligvis hurtigere. Elektronerne i utraditionelle superledere er som bilerne på en overfyldt motorvej. De skal undgå hinanden og kan ende med at sidde fast i den ene bane. Tuning efter elektronisk orden er en måde at coax elektroner til bestemte orbitaler, meget gerne motorvejskeglerne og barrierer, der leder biler ind i bestemte baner. "

Jernbaserede høj temperatur superledere blev opdaget i 2008, og Si og samarbejdspartnere tilbød en af ​​de første teorier for at forklare dem:Afkøling af dem i nærheden af ​​et kvantekritisk punkt medfører udtalte korrelerede elektroneffekter, adfærd, der opstår fra og kun kan forstås ved at betragte elektroner som et kollektivt system frem for mange individuelle objekter.

De nye papirer, som dukkede op i Fysisk gennemgangsbreve ( PRL ) og Fysisk gennemgang B ( PRB ), bygge på forskning Si udført med Yu og Nica under deres postdoktor- og kandidatstudier på Rice. I 2013, Si og Yu viste, at orbital-selektiv adfærd kunne få alkaliske jernselenider til samtidig at udvise de modstridende egenskaber ved både metaller og isolatorer. I 2017, Si, Nica og kolleger viste, at det var muligt for jernselenider at have en superledende tilstand, hvor elektronpar forbundet med et kredsløb i en subshell var meget forskellige fra dem for en nært beslægtet orbital i samme subshell.

"I det nuværende arbejde, vi viste, at en nematisk orden drastisk øger kredsløbsselektiviteten i normal tilstand ved temperaturer over den superledende overgangstemperatur, "sagde Yu, hovedforfatter til PRL papir.

I nematiske systemer, der er en højere grad af orden i en retning end en anden. I en æske med ubehandlet spaghetti, for eksempel, nudlerne er justeret på langs, men uordnede, hvis de ses i vinkelret retning.

For at analysere karakteren af ​​superledning i nærvær af den nematiske elektroniske orden, Yu, Si og kolleger analyserede det "superledende hul, "et mål, der sammenligner energiomkostningerne forbundet med at adskille elektronpar i nematisk retning og vinkelret retning. Deres beregninger afslørede en stor forskel.

"Vores resultater giver en naturlig forståelse af meget slående resultater, der for nylig blev rapporteret baseret på omhyggelige målinger af det superledende hul i jernselenid med scanningstunnelmikroskopi, "sagde Hu, hovedforfatteren af PRB papir.

Si sagde, at værket "kaster lys over samspillet mellem orbital-selektiv parring og elektroniske ordrer, der synes at være vigtige ingredienser for ukonventionel superledning i både jernbaserede superledere og andre stærkt korrelerede kvantematerialer. "