Samtidig nodal superledning og brudt tids-reverseringssymmetri i CaPtAs

I langt de fleste superledende materialer, Cooper-par har det, der er kendt som lige paritet, hvilket i bund og grund betyder, at deres bølgefunktion ikke ændres, når elektroner bytter rumlige koordinater. Omvendt nogle ukonventionelle superledere har vist sig at indeholde Cooper-par med ulige paritet. Denne kvalitet gør disse utraditionelle materialer særligt lovende til kvanteberegningsapplikationer.

Tidligere undersøgelser har forudsagt, at ikke-centrosymmetriske superledere, som har en krystalstruktur uden inversionscenter, kunne udvise unikke og usædvanlige egenskaber. I de seneste år, ikke-centrosymmetriske superledere er blevet et populært forskningsemne på grund af strukturen af ​​Cooper-parrene indeholdt i dem, som har en blanding af ulige og lige paritet.

CaPtAs er en ny ikke-centrosymmetrisk superleder opdaget af forskere ved Zhejiang University. Sammen med forskere ved Paul Scherrer Institut og andre institutter verden over, disse forskere har for nylig udført en undersøgelse, der undersøger ukonventionel superledning i denne forbindelse. Deres papir, udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , tilbyder bevis for, at i sin superledende tilstand, CaPtAs udviser samtidigt både nodal superledning og brudt tidsomvendt symmetri (TRS).

"Crystalstrukturen af ​​CaPtAs var kendt for at være ikke-centrosymmetrisk, og derfor, vi tænkte, at det ville være interessant at afgøre, om det også er en superleder, "Huiqiu Yuan, en af ​​forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "I et papir offentliggjort tidligere i år, vi rapporterede, at CaPtAs faktisk er en ikke-centrosymmetrisk superleder, som bliver superledende under 1,5 K. Vi så også antydninger af usædvanlige superledende egenskaber, nemlig et nodal superledende mellemrum."

Observationerne indsamlet i deres tidligere arbejde inspirerede Yuan og hans kolleger til at indsamle avancerede målinger, der ville give dem mulighed for at undersøge de ukonventionelle superledende egenskaber af CaPtAs mere i dybden. Hovedformålet med deres nylige undersøgelse var at bestemme, om når CaPtAs er i sin superledende tilstand, er tidsvendingssymmetrien brudt.

Forskerne målte også den magnetiske penetrationsdybde af den ikke-centrosymmetriske superleder ved meget lave temperaturer, for bedre at forstå strukturen af ​​dens superledende kløft. Mere specifikt, de ønskede at bestemme, om materialets superledende mellemrum præsenterede såkaldte 'knuder, " punkter, hvor mellemrummets amplitude er lig med nul.

"I vores undersøgelse, evidensen for brud på tidsomvendt symmetri kom fra brug af muon spin afslapning/rotation (μSR) teknikken, mens beviset for nodal superledning kom fra både μSR, tunnel diode oscillator (TDO) metoden, samt den specifikke varme, " sagde Yuan.

Muon spin relaksation/rotation (μSR) er en kraftfuld metode til præcist at måle magnetiske felter inde i et materiale, som bruger positivt ladede anti-myoner som en sonde. En signatur på tids-reverseringssymmetri, der bryder i en superleder, er, at meget små magnetiske felter spontant opstår, når superlederen afkøles til sin kritiske temperatur. μSR er en af ​​de få eksisterende teknikker, der er følsomme nok til at detektere så små magnetiske felter inde i materialer.

"Vi implanterede de spin-polariserede muoner i superlederen, " Tian Shang ved Paul Scherrer Institut forklarede. "De positive muoner genereres på specialiserede målefaciliteter ved at kollidere en protonstråle med et kulstofmål. Vores μSR-eksperimenter blev udført på Paul Scherrer Institute i Schweiz."

Muoner er meget ustabile elementarpartikler, der hurtigt henfalder, udviser en halveringstid på 2,2µs, til en positron og to neutrinoer. En myons spin er typisk påvirket af magnetiske felter inde i et materiale. Derfor, implantering af muoner inde i et materiale giver forskere mulighed for at rekonstruere arten af ​​disse magnetiske felter, blot ved at måle fordelingen af ​​positroner udsendt over tid.

"I særdeleshed, man tæller typisk antallet af positroner i modsatte ender af prøven, og hvordan forskellen mellem disse tal, asymmetrien, " ændringer over tid kan bruges til at detektere de små ekstra magnetiske felter, når tidsvendingssymmetrien er brudt, " sagde Shang.

Fysikbegrebet 'nodal superledning' refererer til arten af ​​energigabet inde i en superleder, som er den tærskelenergi, der kræves for at bryde et Cooper-par fra hinanden. I nodale superledere, dette energigab er nul for Cooper-par, der bevæger sig i visse retninger. Det betyder, at den termiske energi kan bryde Cooper-par fra hinanden selv ved meget lave temperaturer.

Nodal superledning kan således detekteres ved at tælle mængden af ​​Cooper-par i et materiale. Hvis antallet af Cooper-par inde i en superleder fortsætter med at stige, når temperaturen sænkes langt under den kritiske superledende temperatur, man kan forvente, at materialet udviser nodal superledning.

"Vi målte den magnetiske indtrængningsdybde af CaPtAs som funktion af temperatur ned til meget lave temperaturer (mindre end 0,1 K) ved hjælp af to metoder, hvorfra det er muligt at bestemme, hvordan antallet af Cooper-par ændrer sig med temperaturen, " sagde Michael Smidman ved Zhejiang University. "En metode til at gøre dette på er μSR, hvor et magnetfelt påføres materialet. Da CaPtAs er en type II superleder, feltet vil trænge ind i materialet via linjer med magnetisk flux for at danne et hvirvelgitter, og fordelingen af ​​disse fluxlinjer kan detekteres ved hjælp af μSR. Fordelingen afhænger af den magnetiske indtrængningsdybde, så mængden af ​​Cooper-par er let at bestemme."

Yuan og hans kolleger brugte også et yderligere måleværktøj kendt som tunnel diode oscillator (TDO). TDO'er er meget følsomme instrumenter til at måle temperaturafhængigheden af ​​den magnetiske indtrængningsdybde.

I det væsentlige, forskerne placerede CaPtAs i en spole, som er en del af et LC-kredsløb. Strømmen i denne spole genererer et meget lille magnetfelt, der ikke kan trænge dybt ind i superlederen på grund af den såkaldte Meissner-effekt, dog kan den stadig nå en vis afstand under overfladen.

"Denne afstand er karakteriseret ved en størrelse kendt som den magnetiske indtrængningsdybde, Yuan forklarede. "Hvis indtrængningsdybden af ​​superlederen ændres med temperaturen, så ændres spolens induktans også, og dette kan detekteres ved at måle ændringen af ​​LC-kredsløbets resonansfrekvens."

Ved at anvende disse teknikker på superlederens CaPtAs, forskerne indsamlede beviser for dens nodale superledningsevne. Mere specifikt, da de beregnede antallet af Cooper-par i materialet, de fandt ud af, at deres resultater kunne forklares med modeller, hvor hullet i superlederen er nodal.

"Dette var især tydeligt fra det faktum, at da temperaturen faldt, superfluiddensiteten fortsatte med at stige, " sagde Smidman. "Hvis CaPtAs var en superleder med fuld gap, superfluiddensiteten ville mættes ved lave temperaturer."

Mens mange forskere tidligere forudsagde tilstedeværelsen af ​​usædvanlige superledende egenskaber i ikke-centrosymmetriske superledere, dette blev ikke altid bekræftet eksperimentelt. Tidligere undersøgelser identificerede en håndfuld magnetiske ikke-centrosymmetriske superledere med en superledning, der klart adskiller sig fra de konventionelle elektron-fonon-mekanismer skitseret af Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) teori, som viste sig i usædvanlige fysiske fænomener. Imidlertid, mange ikke-centrosymmetriske superledere uden magnetiske ioner viste sig at udvise lignende egenskaber som deres konventionelle centrosymmetriske modstykker.

"I nogle tilfælde, brudt tids-reverseringssymmetri findes i ikke-centrosymmetriske superledere, men deres andre egenskaber er stadig meget som konventionelle superledere, " sagde Yuan. "Isærligt, de har generelt helt åbne superledende mellemrum. Vores resultater giver bevis for nodal superledning og tidsvendende symmetribrud i CaPtAs, og dermed tillade os at tegne en forbindelse mellem, hvad der generelt havde været tydeligt forskellige typer af ikke-centrosymmetriske superledere."

Yuan og hans kolleger fandt, at den nodale superledning i CaPtAs ligner den, der observeres i magnetiske ikke-centrosymmetriske superledere. Dette betyder, at CaPtAs kunne være en førsteklasses kandidat til at undersøge den blandede singlet-triplet-parring, som man ville forvente at finde i disse systemer.

Undersøgelsen giver også værdifuld indsigt i de mulige mekanismer bag brud på TRS i en lang række superledere. I fremtiden, andre forskerhold kunne hente inspiration fra deres arbejde og bruge CaPtAs til at undersøge mekanismer for topologisk superledning og TRS.

"Selvom vi har beviser for en usædvanlig superledende tilstand i CaPtAs med både nodal superledning og brudt tid omvendt symmetri, den detaljerede struktur af det superledende mellemrum og de underliggende mekanismer, der giver anledning til disse adfærd, skal stadig bestemmes, " tilføjede Yuan. "I vores næste undersøgelser, vi er interesserede i at identificere en specifik form for den superledende parring, som kan forklare begge disse resultater, og derefter at forstå på et mikroskopisk niveau, hvad det er ved CaPtAs, der frembringer denne nye superledningsevne. Vi vil også gerne afgøre, om topologisk superledning kan realiseres i CaPtAs."

© 2020 Science X Network