Bevis for par-densitetsbølge (PDW) i spin-valley låste systemer

Isolationen af ​​grafen for mere end et årti siden ændrede landskabet i kondenseret fysik, som single-atom-tyk, todimensionalt materiale udviste høj krystal og elektronisk kvalitet til at repræsentere en konceptuelt ny klasse af kvantematerialer. Fysikere og ingeniører har siden undersøgt en stor familie af todimensionale krystaller kendt som overgangsmetaldichalcogenider (TMD'er), hvor elektroner findes i lag med isolerende, ledende eller halvledende egenskaber selvom der er blevet rettet lidt opmærksomhed mod at undersøge supraledelse i 2-D krystallerne. Løbende arbejde på området giver fortsat overraskende grobund for anvendelser inden for lavdimensionel fysik.

Seneste opdagelser i høj T _c superledere har resulteret i en intens interesse for en "par-densitetsbølge" (PDW) dannet i Cooper-par (et elektronpar bundet sammen ved lave temperaturer), selvom der er lidt teoretisk forståelse for drivmekanismerne i denne eksotiske tilstand. Kompleksiteten skyldes de mange konkurrerende stater, der er i tæt energi i den stærkt korrelerede region inden for tilsyneladende simple modeller og fænomener som Hubbard -modellen, frustrerede magneter og høj temperatur superledere. I en nylig undersøgelse, Jordan Venderley og Eun-Ah Kim ved Cornell University, New York, viste, at inversionssymmetribrud og resulterende spin-valley-låsning kunne fremme PDW'er til at overvinde de mere almindeligt forekommende spin- og ladestriber gennem frustration mod magnetisk orden. Undersøgelsen detaljerede det første robuste bevis for en PDW i tæthedsmatrix -renormalisering af en simpel fermionisk model via gruppesimulering. Resultaterne pegede på en spændende mulighed for, at den eksotiske tilstand forekommer i huldopede gruppe VI-overgangsmetaldichalcogenider (TMD'er) med spin-valley-låst båndstruktur og moderate korrelationer. Resultaterne er nu offentliggjort i Videnskab fremskridt .

Højtemperatur superledere (forkortet high-T _c ) er materialer, der opfører sig som superledere ved ekstremt høje overgangstemperaturer. Det første eksperimentelle bevis for superledere blev opdaget af J.G. Bednorz og K.A. Müller på IBM's Zurich Research Lab i 1986, som de efterfølgende blev tildelt Nobelprisen i fysik i 1987. Nylige eksperimentelle og teoretiske udviklinger genoplivede ideen om en reguleret eller moduleret superledende tilstand, der spontant bryder translationel symmetri. Tidlige bestræbelser på at regulere superledere har nøje fastholdt principperne i den originale Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnkov (FFLO) model, foreslået i 1964. Et alternativt forslag til en moduleret parret tilstand for cuprater (materialer indeholdende kobberanioniske komplekser) kræver en stærk koblingsmekanisme, kendt som en par-densitetsbølge (PDW), som adskiller sig fra superledere af FFLO-typen.

Det eksisterende behov for en stærk koblingsmekanisme fik fysikere til at søge efter PDW -tilstanden i numeriske simuleringer. Nuværende beviser for et PDW i tæthedsmatrix-renormaliseringsgruppen (DMRG) blev kun etableret i den endimensionelle (1D) Kondo-Heisenberg-model. Numerisk bevis fra den kontrollerede tilgang til DMRG er, imidlertid, mangler i enkle fermioniske modeller. En signaturvanskelighed ved at realisere en sådan tilstand skyldes tilstedeværelsen af ​​spin- og ladestribet jordtilstande i stedet for PDW-tilstanden på en Hubbard- eller t-J-model i et firkantet gitter med åben rotation symmetri. T-J modellen, først afledt af Hubbard -modellen af ​​Josef Spalek i 1977, beskrevet stærkt korrelerede elektronsystemer til at beregne tilstande for høj temperatur superledningsevne i dopede antiferromagneter (sammensat af et par Fe-atomer på en overflade, der udviser to magnetiske tilstande).

Mens der findes mange modeller inden for forskellige grene af fysik, Hubbard -modellen er en ikonisk og enkel opbygning af teoretisk kondenseret fysik, der fanger korrelerede elektroners adfærd i faste stoffer, når de hopper mellem gittersteder. I denne undersøgelse, Venderley og Kim vendte sig derfor til en Hubbard -model og forventede for den frustrerende magnetiske spin -ordre at skubbe systemer til en PDW -tilstand på et frustreret trekantet gitter med brudt inversionssymmetri. Modellen fangede de huldopede monolagsgruppe IV TMD'er, bruges som benchmarksystemer til at studere og kontrollere sammenflettede elektroniske ordrer, drevet af eksotiske muligheder drevet af spin-orbit-kobling (SOC) og mangel på centrosymmetri, sammen med superledning som observeret i foregående undersøgelser.

DMRG (density matrix renormalization group) er en kraftfuld ikke -forstyrrende metode, der bruges til at studere stærkt interagerende elektroniske systemer og udforske et mangfoldigt udvalg af stærkt korrelerede, konkurrerende kvantefænomener. DMRG-teknikken blev etableret i det sidste årti som den førende metode til at simulere statik og dynamik i endimensionelle kvantegittersystemer, med potentiale for videre udvikling. For at få adgang til systemets superledende tendenser, Venderley og Kim implementerede et parkantet felt motiveret af den feltnålende tilgang, som ligger til grund for flere tidligere undersøgelser. De forspændte systemet til en bestemt superledende tilstand og studerede den fremkomne symmetri af den relevante ordensparameter i bulk for at udlede modellens tilbøjelighed til forskellige ustabilitet.

Forskerne gennemførte DMRG -beregningerne og DMRG -simuleringerne i todimensionale systemer ved hjælp af iTensor -biblioteket udviklet af Stoudenmire og White. De præsenterede DMRG-simuleringerne i en cylinder med tre-enhedsceller i periodisk retning og 12-, 18-, 24- og 36-enhedsceller i ikke-periodisk retning. Simuleringens bredde var tilstrækkelig stor til at prøve lommerne i Fermi -overfladen, men ikke så stor, at det gjorde DMRG uoverkommeligt dyrt for beregningsressourcerne i laboratoriet.

For at fange spin-dalen låste Fermi-overflader i enbåndsmodel i valensgruppen VI TMD'er, videnskabsmændene betragtede en strammende model som en nærmeste nabo på Fermi-overfladen, hvor den magnetiske flux indførte små mængder anisotropi i lommerne, analog med dem, der observeres i ægte halvledermaterialer, såsom MoS ₂ , efterfulgt af inkludering af interaktioner på stedet. I det nuværende arbejde, DMRG -simuleringen afslørede uventet en tendens til at bryde translationel symmetri i det frastødende interaktionsregime for at danne en moduleret parstilstand, hvorefter forskerne observerede tegn på dannelse og vedligeholdelse af robuste PDW -svingninger, trods ændringer (stigning) i det simulerede kemiske potentiale. Denne observation af Venderley og Kim var den første rapport om en stærk koblingsdrevet PDW inden for DMRG-simuleringer af en simpel fermionisk model. Fasesvingningerne afbildet i denne undersøgelse, lignede stærkt den PDW-type adfærd, der blev rapporteret i den tidligere 1D Kondo-Heisenberg-model.

Venderley og Kim transformerede derefter Fourier disse svingninger for at antyde, at Cooper -parrenes uendelige momentum stammede fra samspillet mellem Fermi -lommerne. Denne opfattelse blev forstærket, da de undersøgte effekten af ​​at øge det kemiske potentiale i undersøgelsen (hvilket reducerede lommens radius). De fangede derefter svingninger i singletparringsstyrken og i bindingsladningstætheden for at vise, at begge ordrer var domineret af den samme Fourier -tilstand.

På denne måde, Venderley og Kim brugte DMRG til at studere superledende tendenser til en frastødende U Hubbard-model på et trekantet gitter med spin-valley låsning. De undersøgte tendenserne til at afsløre modellens komplekse superledende fasediagram med translationelle symmetri-afbrydende superledende tilstande; muligvis i konkurrence med en ensartet tilstand. Mens forskere er interesserede i at modulere superledende tilstande, den observerede var den første rapport om et stærkt koblingsdrevet PDW dannet i en simpel fermionisk model. Venderley og Kim sigter derefter på at undersøge, om den observerede PDW-tilstand kan findes i en virkelig 2-D-indstilling ved hjælp af en anden numerisk teknik, såsom densitetmatrixindlejringsteori, der har vist resultater af høj kvalitet i 2-D Hubbard-modeller.

© 2019 Science X Network