Kvantesammenfiltring i kvasipartikler:En stealth-mode mod uorden

Fysikere ved Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) har gjort en opdagelse, der kan øge forståelsen af ​​rollen som sammenfiltring i højtemperatur-kobberoxid-superledere. Lavenergi-kvasipartiklerne af disse gådefulde kvantematerialer, såkaldte Zhang-Rice-singletter, viste sig at være bemærkelsesværdigt modstandsdygtige over for ekstrem uorden.

Denne overraskende modstandsdygtighed i en ellers glasagtig elektronisk baggrund er muliggjort af kvantesammenfiltring - en form for kvantebinding, der intimt binder et hul og et spin til en effektiv kvasipartikel og gør det sværere for partiklen at sprede en urenhed. Undersøgelsen er offentliggjort i Physical Review Letters .

Kvasipartiklers robusthed

Forestil dig et par, der går hånd i hånd over markedspladsen på en travl dag:Hvis det ønskede at bevæge sig fra den ene side til den anden, må mængden af ​​mennesker træde til side, lokalt sprede folket i dets omgivelser og bremse sin egen bevægelse. . Når de blev set fra oven, ville parret og deres sidespringende omgivelser tilsyneladende bevæge sig som en enhed. Denne enhed er det, fysikere af kondenseret stof kalder en kvasipartikel, nemlig effektive partikler, der bestemmer lavenergi-excitationsspektret for et fast stof.

I et metal består kvasipartiklerne typisk af en elektron omgivet af en polarisationssky af andre elektroner, hvor elektron og polarisationssky bevæger sig sammenhængende. I et rigtigt system spreder disse kvasipartikler urenheder og uorden. Går vi tilbage til vores fiktive markedsplads, betyder det, at vores to dvergpapegøjer ikke bare kan gå gennem en forhindring, såsom en lygtepæl, der står i vejen for dem. I stedet skulle de gå rundt om det og bremse parrets bevægelse igen. I et rigtigt metal får dette elektronerne til at sprede urenheder, hæmmer elektronernes bevægelse og skaber elektrisk modstand.

Dans gennem mulige forhindringer

I den offentliggjorte undersøgelse rapporterer holdet inklusive forskere fra JMU, at kvasipartiklerne i cupratmaterialer tilsyneladende ikke overholder denne spredningsregel. Disse materialer har en kompleks struktur af kobberoxidlag og er generelt kendt for deres rekordstore superledningsevne ved høj temperatur, når de er dopet. Deres kvasipartikler er Zhang-Rice-singlets (ZRS), sammenfiltrede kompositpartikler, hvor et ilthul går sammen med et ledigt kobberspin, der bevæger sig gennem krystallen som et dansende par.

Forskerne fra Würzburg testede disse kvasipartikler i et ekstremt uordnet cupratmiljø, hvor op til 40% af kobberatomerne blev erstattet af lithium. Lidelsen er således så enorm – vores "markedsplads" er så fuld af forhindringer – at den bringer de normale elektroner helt i stå.

Fysikere kalder et sådant system for et ikke-ergodisk glassystem, da partikler nu forplanter sig meget langsommere sammenlignet med de typiske eksperimentelle tidsskalaer. Med andre ord er der ikke mere frem og tilbage for de besøgende på vores markedsplads, og intet bevæger sig længere.

Zhang-Rice-singletternes forførende dans af hul og spin inden for denne kvanteforening – på trods af alle odds – er dog totalt upåvirket af de urenheder, der står i vejen. Deres kvantesammenfiltring forhindrer dem i at sprede sig, og de bevæger sig bare gennem systemet – som om "markedspladsen" var uden forhindringer.

Betydningen af ​​opdagelsen

Undersøgelsen har afsløret den første forekomst af Zhang Rice-singletter i et cupratbaseret elektronglas og vist den nye usårlighed af ZRS-kvasipartikler på grund af kvantesammenfiltring. Sådanne fund kunne have vidtrækkende implikationer ikke kun for vores forståelse af cuprat-superlederne, men også for fremtidige teknologier baseret på kvantekohærens.

Især evnen til at stabilisere kvantetilstande med hensyn til eksterne forstyrrelser ved hjælp af kvantesammenfiltring kunne spille en central rolle i realiseringen af ​​kvanteberegning.

Flere oplysninger: A. Consiglio et al., Elektronglasfase med elastiske Zhang-ris-singletter i LiCu3O3, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.126502

Journaloplysninger: Physical Review Letters

Leveret af Julius-Maximilians-Universität Würzburg