Superledning i high-Tc cuprates:Fra maksimal til minimal dissipation - et nyt paradigme?

Forskere fra University of Bristols School of Physics brugte nogle af Europas stærkeste kontinuerlige magnetfelter til at afdække beviser for eksotiske ladningsbærere i den metalliske tilstand af kobberoxid-højtemperatur-superledere (høj-Tc-kuprater). Deres resultater er blevet offentliggjort i denne uge i Natur . I en relateret publikation i SciPost Physics i sidste uge, holdet postulerede, at det er disse eksotiske ladningsbærere, der danner de superledende par, i markant kontrast til forventninger fra konventionel teori.

Superledning er et fascinerende fænomen, hvor under en såkaldt kritisk temperatur, et materiale mister al sin modstand mod elektriske strømme. I visse materialer, ved lave temperaturer, alle elektroner er viklet ind i en enkelt, makroskopisk kvantetilstand, hvilket betyder, at de ikke længere opfører sig som individuelle partikler, men som et kollektiv - hvilket resulterer i superledning. Den generelle teori for denne kollektive elektronadfærd har været kendt i lang tid, men én familie af materialer, cuprates, nægter at tilpasse sig paradigmet. De har også de højeste omgivende tryk superledende overgangstemperaturer, der er kendt for at eksistere. Man har længe troet, at for disse materialer måtte mekanismen, der 'limer sammen' elektronerne, være speciel, men for nylig har opmærksomheden ændret sig, og nu undersøger fysikere de ikke-superledende tilstande af cuprates, i håb om at finde spor til oprindelsen af ​​højtemperatur-superledning og dens skelnen fra normale superledere.

Superledning ved høj temperatur

De fleste superledere, når de opvarmes til at overstige deres kritiske temperatur, ændre sig til 'almindelige' metaller. Kvantesammenfiltringen, der forårsager elektronernes kollektive adfærd, forsvinder, og elektronerne begynder at opføre sig som en almindelig 'gas' af ladede partikler.

Cuprates er specielle, imidlertid. For det første, som nævnt ovenfor, fordi deres kritiske temperatur er betydeligt højere end andre superlederes. For det andet, de har helt specielle målbare egenskaber selv i deres 'metalliske fase'. I 2009 fysiker Prof Nigel Hussey og samarbejdspartnere observerede eksperimentelt, at elektronerne i disse materialer danner en ny type struktur, anderledes end i almindelige metaller, derved etableres et nyt paradigme, som forskerne nu kalder 'det mærkelige metal'. Specifikt, resistiviteten ved lave temperaturer viste sig at være proportional med temperaturen, ikke på et entydigt punkt i temperatur versus doping fasediagram (som forventet for et metal tæt på et magnetisk kvantekritisk punkt), men over et udvidet område af doping. Denne udvidede kritikalitet blev et definerende træk ved den 'mærkelige metalfase', hvorfra superledning kommer frem i cupraterne.

Magnetmodstand i et mærkeligt metal

I den første af disse nye rapporter, EPSRC Doctoral Prize Fellow Jakes Ayres og Ph.D. studerende Maarten Berben (baseret på HFML-FELIX i Nijmegen, Holland) studerede magnetoresistensen - ændringen i resistivitet i et magnetfelt - og opdagede noget uventet. I modsætning til reaktionen fra sædvanlige metaller, magnetoresistensen viste sig at følge en ejendommelig reaktion, hvor magnetfelt og temperatur vises i kvadratur. Sådan adfærd var kun blevet observeret tidligere på et entydigt kvantekritisk punkt, men her, som med nulfeltsresistiviteten, magnetoresistens kvadraturform blev observeret over et udvidet område af doping. I øvrigt, styrken af ​​magnetomodstanden viste sig at være to størrelsesordener større end forventet fra konventionel orbital bevægelse og ufølsom over for niveauet af uorden i materialet såvel som for retningen af ​​det magnetiske felt i forhold til den elektriske strøm. Disse funktioner i dataene, kombineret med kvadraturskalering, antydet, at oprindelsen til denne usædvanlige magnetomodstand ikke var den sammenhængende kredsløbsbevægelse af konventionelle metalliske bærere, men snarere en ikke-orbital, usammenhængende bevægelse fra en anden type bærer, hvis energi blev spredt med den maksimale hastighed tilladt af kvantemekanikken.

Fra maksimal til minimal dissipation

Prof Hussey sagde:"I betragtning af tidligere Hall-effektmålinger, vi havde overbevisende beviser for to forskellige bærertyper i cuprater - en konventionel, den anden 'mærkelig'. Det centrale spørgsmål var så, hvilken type der var ansvarlig for høj temperatur superledning? Vores team ledet af Matija Čulo og Caitlin Duffy sammenlignede derefter udviklingen af ​​tætheden af ​​konventionelle bærere i normal tilstand og pardensiteten i superledende tilstand og kom til en fascinerende konklusion; at den superledende tilstand i cuprater faktisk er sammensat af de eksotiske bærere, der undergår en sådan maksimal spredning i den metalliske tilstand. Dette er langt fra den oprindelige teori om superledning og antyder, at der er behov for et helt nyt paradigme, en, hvor det mærkelige metal er i centrum."