Gate-styret jordtilstand crossover i en todimensionel superleder

I de parrede fermionsystemer, Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) superfluiditet og Bose-Einstein kondensation (BEC) er to ekstreme grænser for grundtilstanden. I en ny rapport i Videnskab , Yuji Nakagawa og et team af forskere inden for anvendt fysik, kvanteelektronik, fremvoksende stofvidenskab og materialeforskning i Japan, rapporteret crossover-adfærd fra BCS-grænsen til BEC-grænsen ved at variere bæretætheden i en 2D-superleder elektron-dopet, lagdelt materiale ZrNCl indeholdende interkaleret lagdelt nitrid. Holdet viste, hvordan forholdet mellem den superledende overgangstemperatur og Fermi-temperaturen i grænsen for lav bærertæthed var i overensstemmelse med den teoretiske øvre grænse, der forventes i BCS-BEC crossover-regimet. Resultaterne viste, hvordan den gate-dopede halvleder gav en ideel platform til 2D BCS-BEC crossover uden yderligere kompleksiteter som dem, der er noteret i andre solid state-systemer.

BCS-BEC crossover

Fænomenet fermionparring, og kondens er grundlæggende for en række forskellige systemer, herunder neuronstjerner til superledere og ultrakølede atomgasser. To begrænsende tilfælde for fermionkondensation er beskrevet af to forskellige teorier kendt som Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) teorien, for hvilken fysiker John Bardeen et al. modtog Nobelprisen i 1972, og Bose-Einstein-kondensationen (BEC) udviklet af fysikerne Satyendra Nath Bose og Albert Einstein i 1924. BCS-teorien beskriver superfluiditeten i den svage koblings- eller højdensitetsgrænse, hvor individuelle fermioner kondenserer direkte til en sammenhængende tilstand af fermionpar - en type kondensering, der typisk observeres i elektroners superledningsevne. Sidstnævnte opstod ofte under den stærke kobling, lav massefylde grænse. I starten fermionpar opfører sig som bosoner, og derefter gennemgår de BEC til superfluid tilstand i et fænomen set i fermioniske gasser. De to grænser er kontinuerligt forbundet via et mellemliggende regime kendt som BCS-BEC crossover.

Fysikere bruger ultrakolde atomare gasser og superledere som gunstige eksperimentelle indstillinger til at observere BCS-BEC crossover ved at kontrollere koblingsstyrken mellem de konstituerende fermioner på en kvasi-kontinuerlig måde. I ultrakolde atomgasser kan koblingsstyrken moduleres meget ved hjælp af Feshbach-resonanser, der fejer hen over crossover-regimet fra BEC-grænsen. Forskere kan kontrollere bærertætheden og koblingsstyrken for at komme ind i crossover-regimet fra BCS-grænsen inden for superledere. I superledere, den dimensionsløse koblingsstyrke kan bestemmes ved hjælp af det superledende mellemrum og Fermi -energi målt fra bunden af ​​ledningsbåndet. Da forholdet mellem det superledende mellemrum og Fermi-energien steg via forbedrede parringsinteraktioner eller reduceret bærertæthed, systemet gik ind i BCS-BEC crossover-regimet, ledsaget af forbedrede forhold mellem superledende kritisk temperatur og Fermi-temperatur. For eksempel, niob (Nb) og aluminium (Al) ligger dybt inden for BCS-grænsen, mens mere eksotiske superledere inklusive jernbaserede halvledere er placeret tæt på BCS-BEC crossover-regimet. Koblingsstyrkerne er imidlertid ikke høje nok til at nå BEC -grænsen ud over crossover -regimet på grund af komplekse aktiviteter såsom lav bæretæthed, stærke elektronkorrelationseffekter og magnetisk orden, der forplumrer fænomenerne. Som resultat, fysikere forbliver til klart at demonstrere BCS-BEC crossover under studiet af superledere. I dette arbejde, Nakagawa et al. studerede superlederen Li _x ZrNCl - et lithium interkaleret lagdelt nitrid til at forstå fænomenerne.

Undersøger superlederen

I Li _x ZrNCl superleder, lithium leverede elektroner til det dobbelte honeycomb ZrN -lag, som dannede en båndisolator i fravær af doping. Forskere havde tidligere udført enkeltkrystalmålinger af uberørt ZrNCl ved hjælp af ioniske gatingmetoder. I det seneste arbejde, Nakagawa et al. introducerede en modificeret enhedsstruktur og noterede en dimensionel crossover fra anisotropiske tredimensionelle (3D) til 2D superledere ved at reducere bærertætheden. I dette arbejde, teamet detaljerede Li's superledende adfærd _x ZrNCl i et endnu lavere bærertæthedsregime. Forskerne brugte en ion-gating-enhedsstruktur og forberedte smalle elektroder til tunnelspektroskopi på kanalområdet mellem source- og drænelektroderne og dækkede enheden med en poly(methylmethacrylat) (PMMA) resist. Under gate-spænding (V _G ) applikationer, holdet sporede interkalationsprocessen gennem måling af source-drain-strøm. Den modstandsdygtige overgang i det stærkt dopede regime var skarp, mens det væsentligt udvidede i det let dopede regime til at repræsentere en dimensionel crossover fra anisotropisk 3D til 2D -superledere.

Den dimensionelle crossover

Den 3D til 2D dimensionelle crossover af superlederen opstod på grund af reduceret bærertæthed for derfor at danne et unikt og uventet fænomen for at muliggøre crossover. Teamet krediterede funktionen til rhombohedral stabling af ZrNCl lag, hvor enheden indeholdt tre lag. Ved hjælp af tæthedsfunktionsteoretiske beregninger, de bekræftede de eksperimentelle resultater. Under afkølingsprocessen, forskerne udførte tunnelspektroskopi, hvor den faldende bærertæthed svarede til stærkere kobling. Nakagawa et al. diskuterede også pseudo-gap-tilstande i flere materialer og sammenlignede dem med det nuværende system. Li _x ZrNCl-materiale tilbød en enklere testleje, da dets båndisolator var fri for elektronkorrelationseffekter, magnetiske ordener og tæthedsbølger. Holdet krediterede den pseudo -gap -tilstand, der blev observeret i Li _x ZrNCl til præ-dannet pardannelse under BCS-BEC crossover-fænomenet. De fremhævede derefter en masseundersøgelse, hvor NMR-målinger på polykrystallinsk Li _x ZrNCl -prøver viste en pseudogap -tilstand på den højdopende side af den superledende kuppel.

På denne måde Yuji Nakagawa og kolleger viste 2D BCS-BEC crossover ved systematisk at indstille koblingsstyrken for superledere i Li _x ZrNCl prøver. Holdet realiserede 2D BCS-BEC crossover på grund af den dimensionelle crossover fra den anisotrope 3D til 2D ved at reducere bærertætheden af ​​prøverne. De sammenlignede denne crossover med arrays af 2D-skyer af Fermi-gasser, hvor også dimensionalitet blev påvirket af koblingsstyrken. Yderligere undersøgelser af fænomenet vil hjælpe med at fremme forståelsen af ​​fermionkondensationsfysik.

© 2021 Science X Network