En ny klasse af superledere

En ny teori, der kunne forklare, hvordan ukonventionel superledelse opstår i et mangfoldigt sæt forbindelser, ville måske aldrig være sket, hvis fysikerne Qimiao Si og Emilian Nica havde valgt et andet navn til deres 2017-model for orbital-selektiv superledning.

I en undersøgelse offentliggjort denne måned i npj Quantum Materials , Si fra Rice University og Nica fra Arizona State University hævder, at ukonventionel superledning i nogle jernbaserede og tunge fermionmaterialer opstår fra et generelt fænomen kaldet "multiorbital singlet-parring".

I superledere, elektroner danner par og flyder uden modstand. Fysikere kan ikke fuldt ud forklare, hvordan par dannes i ukonventionelle superledere, hvor kvantekræfter giver anledning til mærkelig adfærd. Tunge fermioner, et andet kvantemateriale, har elektroner, der ser ud til at være tusinder af gange mere massive end almindelige elektroner.

Si og Nica foreslog ideen om selektiv parring inden for atomorbitaler i 2017 for at forklare ukonventionel superledning i alkaliske jernselenider. Det følgende år, de anvendte den orbital-selektive model på det tunge fermionmateriale, hvori ukonventionel superledning først blev demonstreret i 1979.

De overvejede at navngive modellen efter et beslægtet matematisk udtryk, der blev berømt af kvantepioneren Wolfgang Pauli, men valgte at kalde det d+d. Navnet henviser til matematiske bølgefunktioner, der beskriver kvantetilstande.

"Det er som om du har et par elektroner, der danser med hinanden, "sagde Si, Rice's Harry C. og Olga K. Wiess professor i fysik og astronomi. "Du kan karakterisere den dans ved s-bølge, p-bølge og d-bølge kanaler, og d+d refererer til to forskellige slags d-bølger, der smelter sammen til én."

I året efter udgivelsen af ​​d+d -modellen, Si holdt mange foredrag om værket og fandt publikumsmedlemmer ofte forvekslet navnet med "d+id, "navnet på en anden parringstilstand, som fysikere har diskuteret i mere end et kvart århundrede.

"Folk ville henvende sig til mig efter et foredrag og sige, 'Din teori om d+id er virkelig interessant, ' og de mente det som en kompliment, men det skete så ofte, at det blev irriterende, "sagde Si, som også leder Rice Center for Quantum Materials (RCQM).

I midten af ​​2019, Si og Nica mødtes til frokost, mens de besøgte Los Alamos National Laboratory, og begyndte at dele historier om d+d versus d+id forvirringen.

"Det førte til en diskussion af, om d+d kan være forbundet med d+id på en meningsfuld måde, og vi indså, at det ikke var en joke, " sagde Nica.

Forbindelsen involverede d+d-parringstilstande og dem, der blev berømt ved den nobelprisvindende opdagelse af helium-3-superfluiditet.

"Der er to typer af superflydende parringstilstande af flydende helium-3, den ene kaldet B-fasen og den anden A-fasen, "Sagde Nica." Empirisk, B -fasen ligner vores d+d, mens A-fasen er næsten som en d+id."

Analogien blev mere spændende, da de diskuterede matematik. Fysikere bruger matrixberegninger til at beskrive kvanteparringstilstande i helium-3, og det er også tilfældet for d+d-modellen.

"Du har en række forskellige måder at organisere den matrix på, og vi indså, at vores d+d-matrix for orbitalrummet var som en anden form for d+id-matrixen, der beskriver helium-3-parring i spin-rummet, " sagde Nica.

Si sagde, at foreningerne med superflydende helium-3-parringstilstande har hjulpet ham og Nica med at fremme en mere fuldstændig beskrivelse af parringstilstande i både jernbaserede og tung-fermion-superledere.

”Da Emil og jeg talte mere, vi indså, at det periodiske system for superledende parring var ufuldstændigt, "Si sagde, henviser til diagrammet fysikere bruger til at organisere superledende parringstilstande.

"Vi bruger symmetrier - som gitter- eller spinarrangementer, eller om tid fremad kontra baglæns er ækvivalent, som er tidsomvendt symmetri-for at organisere mulige parringstilstande, " sagde han. "Vores åbenbaring var, at d+id kan findes i den eksisterende liste. Du kan bruge det periodiske system til at konstruere det. Men d+d, du kan ikke. Det er ud over det periodiske system, fordi tabellen ikke indeholder orbitaler. "

Si sagde, at orbitaler er vigtige for at beskrive opførslen af ​​materialer som jernbaserede superledere og tunge fermioner, hvor "meget stærke elektron-elektron-korrelationer spiller en afgørende rolle."

"Baseret på vores arbejde, tabellen skal udvides til at omfatte orbitalindeks, " sagde Si.