Nye beviser for kvanteudsving nær et kvantekritisk punkt i en superleder

Blandt alle de mærkelige tilstande af stof, der kan eksistere side om side i et kvantemateriale, skubber efter fremtræden som temperatur, elektrondensitet og andre faktorer ændrer sig, nogle videnskabsmænd mener, at der eksisterer en særlig underlig sammenstilling ved et enkelt skæringspunkt af faktorer, kaldet det kvantekritiske punkt eller QCP.

"Kvantekritiske punkter er et meget varmt emne og interessant for mange problemer, " siger Wei-Sheng Lee, en personaleforsker ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory og efterforsker ved Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES). "Nogle tyder på, at de endda er analoge med sorte huller i den forstand, at de er singulariteter - punktlignende skæringspunkter mellem forskellige stoftilstande i et kvantemateriale - hvor du kan få alle mulige meget mærkelige elektronadfærd, når du nærmer dig dem. "

Lee og hans samarbejdspartnere rapporterede ind Naturfysik i dag, at de har fundet stærke beviser for, at QCP'er og deres tilhørende udsving eksisterer. De brugte en teknik kaldet resonant uelastisk røntgenspredning (RIXS) til at undersøge den elektroniske opførsel af et kobberoxidmateriale, eller cuprate, der leder elektricitet med perfekt effektivitet ved relativt høje temperaturer.

Disse såkaldte højtemperatur-superledere er et travlt forskningsfelt, fordi de kan give anledning til nul-spild transmission af energi, energieffektive transportsystemer og andre futuristiske teknologier, selvom ingen kender den underliggende mikroskopiske mekanisme bag høj-temperatur superledning endnu. Hvorvidt QCP'er findes i cuprates er også et meget omdiskuteret spørgsmål.

I eksperimenter ved Storbritanniens Diamond Light Source, holdet nedkølede cupraten til temperaturer under 90 kelvin (minus 183 grader Celsius), hvor det blev superledende. De fokuserede deres opmærksomhed på det, der er kendt som ladningsrækkefølge - skiftende striber i materialet, hvor elektroner og deres negative ladninger er tættere eller mere sparsomme.

Forskerne ophidsede cupraten med røntgenstråler og målte røntgenlyset, der spredte sig ind i RIXS-detektoren. Dette gjorde det muligt for dem at kortlægge, hvordan excitationerne forplantede sig gennem materialet i form af subtile vibrationer, eller fononer, i materialets atomgitter, som er svære at måle og kræver værktøjer i meget høj opløsning.

På samme tid, røntgenstrålerne og fononerne kan excitere elektroner i ladningsrækkefølgen, får striberne til at svinge. Da data opnået af RIXS afspejler koblingen mellem ladningsstribernes opførsel og fononernes opførsel, observation af fononerne gjorde det muligt for forskerne at måle opførselen af ​​ladningsrækkefølgen, også.

Hvad forskerne forventede at se er, at når ladningsrækkefølgen blev svagere, deres ophidselser ville også forsvinde. "Men det, vi observerede, var meget mærkeligt, "Sagde Lee." Vi så, at da ladningsordren blev svagere i den superledende tilstand, opladningsrækkefølgen blev stærkere. Dette er et paradoks, fordi de burde gå hånd i hånd, og det er, hvad folk finder i andre betalingsordresystemer."

Han tilføjede, "Mig bekendt er dette det første eksperiment om ladningsrækkefølge, der har vist denne adfærd. Nogle har foreslået, at det er det, der sker, når et system er tæt på et kvantekritisk punkt, hvor kvanteudsving bliver så stærke, at de smelter ladningsrækkefølgen, meget ligesom opvarmning af is øger termiske vibrationer i dets stive atomgitter og smelter det til vand. Forskellen er, at kvantesmeltning, i princippet, forekommer ved nul temperatur." I dette tilfælde, Lee sagde, de uventet stærke ladningsrækkefølge-excitationer set med RIXS var manifestationer af disse kvanteudsving.

Lee sagde, at holdet nu studerer disse fænomener ved et bredere område af temperaturer og på forskellige niveauer af doping - hvor forbindelser tilsættes for at ændre tætheden af ​​frit bevægende elektroner i materialet - for at se, om de kan nå ned præcis, hvor det kvantekritiske point kunne være i dette materiale.

Thomas Devereaux, en teoretiker ved SIMES og seniorforfatter af rapporten, bemærkede, at mange faser af stof kan være sammenflettet i cuprates og andre kvantematerialer.

"Superledende og magnetiske tilstande, ladeordrestriber og så videre er så sammenfiltrede, at du kan være i dem alle på samme tid, "sagde han." Men vi sidder fast i vores klassiske tankegang om, at de enten skal være på den ene eller anden måde. "

Her, han sagde, "Vi har en effekt, og Wei-Sheng forsøger at måle det i detaljer, prøver at se, hvad der sker."