Bemærkelsesværdig stærk parring af ladningsbærere i tolags antiferromagnetiske Mott-isolatorer

I løbet af de sidste par år har mange fysikere og materialeforskere undersøgt superledning, den fuldstændige forsvinden af ​​elektrisk modstand observeret i nogle faste materialer. Superledningsevne er hidtil primært blevet observeret i materialer, der er afkølet til meget lave temperaturer, typisk under 20 K.

Nogle materialer udviser imidlertid superledning ved høje temperaturer, over 77 K. Mange af disse materialer, også kendt som højtemperatur-superledere, er kendt for at være antiferromagneter.

Et aspekt af højtemperatursuperledning, som fysikere har forsøgt at forstå bedre, er dannelsen af ​​par af mobile dopingstoffer i antiferromagneter, som er blevet observeret i antiferromagnet højtemperatursuperledere. På trods af omfattende undersøgelser på dette område er den mikroskopiske parringsmekanisme, der understøtter disse stærkt korrelerede systemer, endnu ikke blevet defineret universelt.

Forskere ved München Center for Kvantevidenskab og Teknologi (MCQST), Ludwig Maximilan Universitetet i München, ETH Zürich og Harvard Universitet har for nylig afsløret højtemperatur-parring af mobile ladningsbærere i dopede antiferromagnetiske Mott-isolatorer. Deres papir, udgivet i Nature Physics , kunne kaste nyt lys over dannelsen af ​​mobile par af dopingstoffer i antiferromagneter.

"Da vi havde undersøgt enkelt-doteringsproblemet meget detaljeret før, var det næste logiske skridt at studere par af huller," sagde Fabian Grusdt, en af ​​forskerne, der udførte undersøgelsen, til Phys.org. "Så, for et par år siden begyndte vi at generalisere nogle af vores tidligere resultater til to-dopant-sagen og fandt første analytiske indsigt i den stærke parringsmekanisme, der kan binde huller sammen. Men vi indså hurtigt, at den gensidige udelukkelsesegenskab af to huller i mono-lags indstillinger er en væsentlig hindring for parring."

Mens de udførte deres undersøgelser, indså Grusdt og hans kolleger i sidste ende, at tolagsmaterialer kunne være ideelle platforme til at undersøge dannelsen og parringen af ​​ladningsbærere, da den strengbaserede parringsmekanisme, de observerede, i disse materialer kan udvikle sig med sin fulde styrke. På grund af deres egenskaber og eksperimentelle relevans besluttede holdet at studere disse materialer.

"Vi indså hurtigt, at den parringsmekanisme, vi forudsagde, ville føre til betydeligt forbedrede bindingsenergier og derfor ville være direkte tilgængelig for nuværende ultrakolde atomsystemer," sagde Grusdt. "Da vi først forstod den nye mekanisme, fik dens konceptuelle skønhed og enkelhed os til at bekymre os i et stykke tid om, at konkurrerende grupper måske allerede forfølger lignende tilgange, men i sidste ende blev vores entusiastiske arbejde belønnet."

Den nye mekanisme afsløret af Grusdt og hans kolleger opstår først i et begrebsmæssigt enklere regime, kendt som det "tight-bindende" regime. Hovedideen bag denne mekanisme er, at to parrede ladninger kun "betaler" den nødvendige energi for at bryde en, i stedet for to, antiferromagnetiske bindinger.

Ved at parre ladninger fra to forskellige lag af materialet i den blandede dimensionelle indstilling, som forskerne bruger, kan ladningernes kinetiske energi, som typisk dominerer alle energiskalaer, undertrykkes. På den anden side, i det konceptuelt mere komplekse "stærke koblingsregime", stammer den "lim", der kræves for at parre to ladninger, fra en række forskudte antiferromagnetiske bindinger.

"At skabe denne streng koster betydelig magnetisk energi, men samlet set får ladningerne tilstrækkelig kinetisk energi ved at følge hinandens veje," forklarede Grusdt. "For at sige det helt klart:de mobile dopanter kan bevæge sig i en stærkt korreleret koncert og delokalisere tilstrækkeligt til at dominere selv en stor potentiel energibarriere, der forsøger at frigøre dem. Faktisk afslørede vi et indviklet samspil mellem kinetiske og magnetiske energiskalaer, som i sidste ende tillader en binding af energier, der systematisk overstiger dem, der kan realiseres i det stramt bindende regime."

Det seneste arbejde af Grusdt og hans kolleger afslører en bemærkelsesværdig stærk parringsmekanisme, der er analytisk håndterbar i en lang række parametre. Dette er en særlig bemærkelsesværdig præstation, da studier inden for dette område af fysik typisk er afhængige af beregningstunge numeriske simuleringer.

"På kort sigt er den mest betydningsfulde implikation af vores arbejde sandsynligvis den eksperimentelle gennemførlighed af vores tilgang, som for ganske nylig har ført til den længe søgte eksperimentelle observation af parring i et Hubbard-lignende system af ultrakolde atomer," tilføjede Grusdt. "På lang sigt tror vi, at vores tilgang muligvis kan motivere design af nye materialer med væsentligt forbedrede superledende temperaturer."

I fremtiden kan undersøgelsen udført af Grusdt og hans kolleger og den mekanisme, de afslørede, bane vejen for design og fremstilling af materialer, der udviser superledning ved væsentligt højere temperaturer. Derudover kunne det hjælpe med at forbedre den nuværende forståelse af parringsmekanismen, der ligger til grund for højtemperatursuperledning.

"Vi planlægger nu at bruge vores seneste resultater som et mellemrum for yderligere undersøgelser af hulparring i stærkt korrelerede kvantesystemer," tilføjede Grusdt. "For eksempel vil vi overveje yderligere phonon-dressing for at finde ud af, om det ville forbedre eller mindske bindingsenergierne."

I deres næste undersøgelser planlægger forskerne også at studere excitationsspektrene for parrede ladninger mere i dybden for at bestemme, hvor relevante deres resultater er for parringsmekanismerne beskrevet af Fermi-Hubbard-modellen med almindelig vanilje. Derudover vil de gerne undersøge, om endnu flere eksotiske strukturer sammensat af mobilladninger og strenge kunne dannes i mere stærkt frustrerede regimer af fasediagrammet. + Udforsk yderligere

Båndkrydsning og magnetisk fasediagram af superledende Ba2CuO4-δ

© 2022 Science X Network