Hall -effekten forbinder superledning og kvantekritikalitet i et mærkeligt metal

I løbet af de sidste par årtier, forskere har identificeret en række superledende materialer med atypiske egenskaber, kendt som ukonventionelle superledere. Mange af disse superledere deler de samme unormale ladningstransportegenskaber og er således kollektivt karakteriseret som "mærkelige metaller."

Forskere ved University of California, Berkeley (UC Berkeley) og Los Alamos National Laboratory har undersøgt de unormale transportegenskaber af mærkelige metaller, sammen med flere andre hold verden over. I et nyligt papir offentliggjort i Naturfysik , de viste, at i et af disse materialer, BaFe ₂ (Som _{1− x} P _x ) ₂ , superledning og kvantekritikalitet er forbundet med det, der kaldes Hall -effekten.

I årtier, fysikere har ikke været i stand til fuldt ud at forstå T-lineær resistivitet, en signatur af mærkelige metaller, som ofte er blevet observeret i mange ukonventionelle superledere. I 2016 holdet ved UC Berkeley og Los Alamos National Lab observerede et usædvanligt skaleringsforhold mellem magnetfeltet og temperaturen i superleder BaFe ₂ (Som _{1− x} P _x ) ₂ .

Skaleringsfænomener observeres typisk lige før et system går fra en fase til en anden (fx fra væske til gas), øjeblikke kaldet kritiske punkter. Dette inspirerede forskerne til at undersøge, om et lignende fænomen også forekom i Hall-effekten, et relateret ladningstransportfænomen.

"Skaleringsadfærden opstår, fordi nær et kritisk punkt, nogle egenskaber bliver skalainvariante, "James G. Analytis, en af ​​forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Det skyldes, at der er faseudsving på det kritiske punkt, der opstår på alle længde- og tidsskalaer. Det samme grundlæggende fænomen fører til kritisk opalescens i en væske-gas-overgang, men i det foreliggende tilfælde, udsvingene har deres oprindelse i Heisenberg -usikkerhedsprincippet. I vores nylige undersøgelse, vi observerede ikke skaleringsadfærden så tydeligt, som vi gjorde før, men vi fandt noget, vi ikke havde forventet. "

For at udføre deres eksperimenter, Analytis og deres kolleger syntetiserede BaFe ₂ (Som _{1− x} P _x ) ₂ krystaller ved Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) og derefter placeret dem under høje magnetfelter ved Los Alamos National Labs højfeltanlæg, som administreres af det NSF-finansierede National High Magnetic Field Lab (NHMFL). På dette feltanlæg, forskere kan indsamle målinger for en betydelig mængde magnettid.

"Det er meget konkurrencedygtigt at få denne magnettid, som giver dig mulighed for at måle op til 65 T, " Analytis forklaret. "Hvert materiale skal måles separat, med flere prøver for at sikre reproducerbarhed. I alt, vi brugte sandsynligvis omkring fire ugers magnettid på at indsamle vores data. "

Forsøgene udført af Analytis og hans kolleger gav en række interessante resultater. Først, forskerne fandt ud af, at Hall-effekten ser ud til at være sammensat af to forskellige 'termer':en konventionel, der simpelthen er relateret til antallet af elektroner i systemet, og et mærkeligt metal udtryk, der topper, når BaFe ₂ (Som _{1− x} P _x ) ₂ nærmer sig sit kvantekritiske punkt.

"At adskille Hall-effekten i to bidrag er ret naturligt i ferromagnetiske metaller, fordi systemet har to klare bidrag; bærerne i metallet og de magnetisk ordnede spins, " Analytis forklaret. "Det andet bidrag kaldes den anomale Hall-effekt. Det, vi ser, ser ud til at være analogt med en unormal Hall-effekt, men jeg understreger, at der ikke er nogen ferromagnetisme. Her, det unormale bidrag ser ud til at opstå fra magnetiske udsving nær det kritiske punkt."

To nøglefakta illustrerer sammenhængen mellem kvantekritikalitet og superledelse afsløret af Analytis og hans kolleger:Den første er, at i mærkelige metaller, superledning forekommer i et helfasediagram; den anden er, at Hall-effekten i det væsentlige er et mål for antallet af partikler (dvs. elektroner eller huller) i et system.

Forskerne observerede, at den unormale effekt observeret i BaFe ₂ (Som _{1− x} P _x ) ₂ når det nærmer sig sit kvantekritiske punkt, ophører det kun, når superledning gør det. I øvrigt, de fandt ud af, at nultemperaturstørrelsen af ​​Hall-effektens anomale term var korreleret til størrelsen af ​​den superledende Tc. Dette tyder på, at det mærkelige metals bidrag til Hall-effekten er, faktisk, et mål for de nye enheder, der er ansvarlige for superledning.

"Der var en anden observation forbundet med skalainvariansen observeret før, " sagde Analytis. "I et område af fasediagrammet kendt som den 'kritiske fan' (regionen menes at være domineret af udsving), det mærkelige metalbidrag afhænger kun af temperaturen, som om temperaturen sætter skalaen for udsvingene i systemet. Mest vigtigt, det mærkelige metalbidrag var uafhængigt af komposition X, selvom det konventionelle bidrag ændrede sig med en faktor på tre eller mere; hvilket betyder, at den mærkelige metal Hall -effekt ikke blot er en ekstra kilde til afgift, men at det opstår fra den kollektive bevægelse af alle elektronerne, når de nærmer sig en kvantekritisk faseovergang."

Når du studerer høj Tc, forskere forsøger typisk at forstå de nye excitationer, der er ansvarlige for superledning i et materiale. I konventionelle superledere, disse excitationer er nu kendt for at blive karakteriseret som simple elektroner eller huller.

Den nylige undersøgelse af Analytis og hans kolleger kunne i sidste ende belyse arten af ​​de excitationer, der er ansvarlige for superledning i mærkelige metaller, som hidtil har været uhåndgribelig. I øvrigt, forskerne har identificeret en strategi, der kan bruges til at måle, om disse excitationer er til stede i et materiale eller ej.

"Det ville være meget spændende at se, om de ejendomme, vi afslørede, strækker sig til andre superledere, " sagde Analytis. "Lige nu, vi vil gerne udvide disse målinger til forskellige dele af fasediagrammet og til forskellige forbindelser. Disse er alle lange og komplicerede eksperimenter, der kræver omfattende syntese og tid i højfeltslaboratorier (som NHMFL), men vi ved i det mindste præcis, hvad vi leder efter, nu."

I deres næste studier, forskerne vil også gerne i gang med at lede efter strategier og værktøjer, der kan bruges til direkte at undersøge spin-frihedsgrader i ukonventionelle superledere. Faktisk, de fleste eksisterende metoder har en tendens til at undersøge et materiales ladningsgrader af frihed, hvilket i høj grad begrænser deres generaliserbarhed på tværs af forskellige materialer.

"Hall-effekten vil altid blande disse sammen, og vi var heldige, at i disse materialer, de adskiller sig i 'konventionelle' og 'mærkelige metal' -bidrag, "Analytis sagde." Men for at se universaliteter på tværs af forskellige materialeklasser, det vil være vigtigt at udvikle nye sonder med mere direkte følsomhed over for den 'mærkelige metal' del af systemet."

© 2020 Science X Network