Forskerhold løser nøjagtigt eksperimentelt puslespil i højtemperatursuperledning

45 år efter, at superledning først blev opdaget i metaller, den fysik, der gav anledning til det, blev endelig forklaret i 1957 ved University of Illinois i Urbana-Champaign, i Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) teori om superledning.

Tredive år efter denne benchmark-præstation, et nyt mysterium konfronteret kondenseret stof fysikere:opdagelsen i 1987 af kobber-oxid eller høj-temperatur superledere. Nu almindeligvis kendt som cuprates, denne nye klasse af materialer demonstrerede fysik, der faldt helt uden for BCS-teorien. Cupraterne er isolatorer ved stuetemperatur, men overgang til en superledende fase ved en meget højere kritisk temperatur end traditionelle BCS-superledere. (Kupraternes kritiske temperatur kan være så høj som 170 Kelvin - det er -153,67 °F - i modsætning til den meget lavere kritiske temperatur på 4 Kelvin - eller -452,47 °F - for kviksølv, en BCS superleder.)

Opdagelsen af ​​højtemperatur superledere, nu for mere end 30 år siden, syntes at love, at en lang række nye teknologier var i horisonten. Trods alt, cupraternes superledende fase kan nås ved hjælp af flydende nitrogen som kølemiddel, i stedet for det langt dyrere og sjældne flydende helium, der kræves for at køle BCS-superledere. Men indtil den usædvanlige og uventede superledende adfærd af disse isolatorer teoretisk kan forklares, det løfte forbliver stort set uopfyldt.

En udstrømning af både eksperimentel og teoretisk fysikforskning har søgt at afdække en tilfredsstillende forklaring på superledningsevne i cupraterne. Men i dag, dette forbliver måske det mest presserende uløste spørgsmål i det kondenserede stofs fysik.

Nu er et team af teoretiske fysikere ved Institute for Condensed Matter Theory (ICMT) i Institut for Fysik ved University of Illinois i Urbana-Champaign, ledet af Illinois Physics Professor Philip Phillips, har for første gang præcist løst en repræsentativ model af cupratproblemet, 1992 Hatsugai-Kohmoto (HK) model af en dopet Mott isolator.

Holdet har offentliggjort sine resultater online i tidsskriftet Naturfysik den 27. juli, 2020.

"Bortset fra den åbenlyse forskel i superledende temperaturer, cuprates starter deres liv som Mott-isolatorer, hvor elektronerne ikke bevæger sig uafhængigt som i et metal, men snarere er stærkt interagerende, " forklarer Phillips. "Det er de stærke interaktioner, der får dem til at isolere så godt."

I deres forskning, Phillips' team løser nøjagtigt analogen til 'Cooper-parring'-problemet fra BCS-teorien, men nu til en dopet Mott-isolator.

Hvad er "Cooper-parring"? Leon Cooper demonstrerede dette nøgleelement i BCS-teorien:den normale tilstand af et traditionelt superledende metal er ustabil over for en attraktiv interaktion mellem elektronpar. Ved en BCS-superleders kritiske temperatur, Cooper-elektronpar rejser uden modstand gennem metallet - dette er superledning!

"Dette er det første papir, der viser præcis, at der eksisterer en Cooper-ustabilitet i selv en legetøjsmodel af en dopet Mott-isolator, " bemærker Phillips. "Udfra dette viser vi, at der eksisterer superledning, og at egenskaberne adskiller sig drastisk fra standard BCS-teorien. Dette problem havde vist sig så svært, kun numerisk eller suggestiv fænomenologi var mulig før vores arbejde."

Phillips krediterer ICMT post-doc stipendiat Edwin Huang med at skrive analogen til BCS-bølgefunktionen for den superledende tilstand, for Mott-problemet.

"Bølgefunktionen er den vigtigste ting, du skal have for at sige, at et problem er løst, " siger Phillips. "John Robert Schrieffers bølgefunktion viste sig at være den beregningsmæssige arbejdshest i hele BCS-teorien. Alle beregninger blev gjort med det. For interagerende elektronproblemer, det er notorisk svært at skrive en bølgefunktion. Faktisk, indtil videre er der kun blevet beregnet to bølgefunktioner, der beskriver vekselvirkende stoftilstande, en af ​​Robert Laughlin i den fraktionelle kvante Hall-effekt, og den anden af ​​Schrieffer i sammenhæng med BCS-teori. Så det faktum, at Edwin var i stand til at gøre dette for dette problem, er noget af en bedrift."

Adspurgt hvorfor cupraterne har bevist sådan et mysterium for fysikere, Phillips forklarer, "Faktisk, det er de stærke interaktioner i Mott-staten, der har forhindret en løsning på problemet med superledning i cuprates. Det har været svært endda at demonstrere analogen til Coopers parringsproblem i enhver model af en dopet Mott-isolator."

Huangs Mott-isolatorbølgefunktion aktiverede Phillips yderligere, Huang, og fysikstuderende Luke Yeo for at løse et nøgleeksperimentelt puslespil i cuprates, kendt som "farveændringen". I modsætning til metaller, cupraterne udviser en øget absorption af stråling ved lave energier med et ledsagende fald i absorption ved høje energier. Phillips' team har vist, at denne adfærd opstår fra resterne af det, Phillips kalder "Mott physics" eller "Mottness" i den superledende tilstand.

Mottness er et udtryk opfundet af Phillips for at indkapsle visse kollektive egenskaber ved Mott-isolatorer, først forudsagt kort efter Anden Verdenskrig af den britiske fysiker og nobelpristager Nevill Francis Mott.

Ud over, forskerne har vist, at superfluiddensiteten, som er blevet observeret at være undertrykt i cupraterne i forhold til dets værdi i metaller, er også en direkte konsekvens af materialets Mottness.

Yderligere, Phillips' team er gået ud over Cooper-problemet for at demonstrere, at modellen har superledende egenskaber, der ligger uden for BCS-teoriens.

"For eksempel, "Philips forklarer, "forholdet mellem overgangstemperaturen og energigabet i den superledende tilstand overstiger langt det i BCS-teorien. vores arbejde viser, at de elementære excitationer i den superledende tilstand også ligger uden for BCS-paradigmet, da de opstår fra den brede vifte af energiskalaer, der er iboende i Mott-tilstanden."