Een theorie uit 2017, voorgesteld door natuurkundigen van Rice University om het tegenstrijdige gedrag van een op ijzer gebaseerde hoge-temperatuur-supergeleider te verklaren, helpt bij het oplossen van een puzzel in een ander type onconventionele supergeleider. de "zware fermion" verbinding bekend als CeCu ₂ Si ₂ .

Een internationaal team uit de VS, China, Duitsland en Canada rapporteerden de bevindingen deze week in de Proceedings van de National Academy of Sciences (PNAS). Het onderzoek richtte zich op een cerium, koper- en siliciumcomposiet waarvan het vreemde gedrag in 1979 hielp het multidisciplinaire veld van kwantummaterialen in te luiden.

Dat jaar, een team onder leiding van Frank Steglich van het Max Planck Instituut, een co-auteur op de PNAS papier, vond dat CeCu ₂ Si ₂ werd een supergeleider bij extreem lage temperaturen. Het mechanisme van supergeleiding kon niet worden verklaard door de bestaande theorie, en de bevinding was zo onverwacht en ongebruikelijk dat veel natuurkundigen aanvankelijk weigerden het te accepteren. De ontdekking in 1986 van supergeleiding bij nog hogere temperaturen in koperkeramiek kristalliseerde de interesse in het veld en domineerde de carrière van theoretische natuurkundigen zoals Rice's Qimiao Si, een PNAS studie co-auteur en de Harry C. en Olga K. Wiess hoogleraar natuurkunde en sterrenkunde.

Si, wiens decennialange samenwerking met Steglich heeft geleid tot bijna twee dozijn collegiaal getoetste onderzoeken, zei, "In mijn stoutste dromen, Ik had niet gedacht dat de theorie die we voorstelden voor de op ijzer gebaseerde supergeleiders terug zou komen naar het andere deel van mijn leven, dat zijn de zware-fermion-supergeleiders."

Zware fermionen, zoals hoge temperatuur supergeleiders, zijn wat natuurkundigen kwantummaterialen noemen vanwege de sleutelrol die kwantumkrachten spelen in hun gedrag. In supergeleiders op hoge temperatuur, bijvoorbeeld, elektronen vormen paren en stromen zonder weerstand bij temperaturen die aanzienlijk warmer zijn dan die nodig zijn voor conventionele supergeleiding. Bij zware fermionen, elektronen lijken duizenden keren massiever te zijn dan ze zouden moeten.

In 2001, Si, die ook het Rice Centre for Quantum Materials (RCQM) leidt, bood een baanbrekende theorie dat deze verschijnselen zich voordoen op kritieke overgangspunten, omslagpunten waar veranderingen in druk of andere omstandigheden een overgang van de ene kwantumtoestand naar de andere teweegbrengen. Op het kantelpunt, of "kwantumkritisch punt, "elektronen kunnen een soort gespleten persoonlijkheid ontwikkelen als ze proberen de grens tussen staten te overschrijden.

Het geval van supergeleiding illustreert hoe dit kan uitpakken. In een normale koperdraad, elektrische weerstand ontstaat wanneer stromende elektronen verdringen en botsen tegen atomen in de draad. Elke hobbel kost een kleine hoeveelheid energie, die aan warmte verloren gaat. Bij supergeleiders, de elektronen vermijden dit verlies door te paren en samen te stromen, zonder enige hobbels.

Omdat elektronen tot de meest asociale subatomaire deeltjes behoren, ze stoten elkaar af en vormen alleen in buitengewone omstandigheden een koppel. In het geval van conventionele supergeleiders, kleine variaties in de afstand tussen atomen in een onderkoelde draad kunnen de elektronen overhalen tot een verstandshuwelijk. Het mechanisme in onconventionele supergeleiders is anders.

"Ons begrip is dat als twee elektronen heel hard werken om elkaar af te stoten, er kan nog steeds een aantrekkingskracht zijn, " zei Si. "Als ik ga verhuizen omdat ik niet graag dicht bij je ben, en jij doet hetzelfde, en toch kunnen we niet te ver van elkaar verwijderd zijn, het wordt een soort dans. De paren in supergeleiders bij hoge temperatuur bewegen ten opzichte van elkaar, niet anders dan twee danspartners die draaien, zelfs als ze samen over de dansvloer bewegen."

De theorie van 2017 van Si en de toen afgestudeerde student Emilian Nica, nu een postdoctoraal onderzoeksmedewerker aan het Quantum Materials Institute van de University of British Columbia, stelde dat selectieve koppeling binnen atomaire orbitalen enkele raadselachtige experimentele resultaten van enkele van de supergeleiders met de hoogste temperatuur zou kunnen verklaren, alkalische ijzerseleniden.

Sommige experimenten hadden aangetoond dat de paren in alkalische ijzerseleniden zich gedroegen alsof ze een impulsmoment van nul hadden, waarnaar natuurkundigen verwijzen met de term s-golf, terwijl andere experimenten aangaven dat de paren een impulsmoment van twee hadden, die natuurkundigen d-wave noemen. Dit verschil is groot omdat impulsmoment een fundamentele identificatie is voor elektronen. Net zoals appels en sinaasappels in verschillende bakken te vinden zijn in het kruidenierswinkelverhaal, s-wave en d-wave combinaties gaan niet samen en zijn te vinden in verschillende materialen.

"Wat Nica's proefschrift introduceerde, was dat je een supergeleidende toestand kunt hebben waarin elektronenparen die zijn geassocieerd met een orbitaal van een subschil heel anders zijn dan die van een andere nauw verwante orbitaal in dezelfde subschil, omdat ze een tegengesteld teken hebben, ' zei Si.

"De reden dat we deze multi-orbitale koppelingstoestand voorstelden, was omdat metingen van sommige dingen, zoals magnetische reacties, zou aantonen dat de alkalische ijzerseleniden canonieke d-golfkenmerken hadden, en andere metingen, zoals hoekige opgeloste foto-emissie, onthulde attributen geassocieerd met s-golf supergeleiders.

"De experimenten in de op ijzer gebaseerde supergeleider waren al gedaan, en we gaven uitleg, een koppelingstoestand die zowel stabiel als robuust was, en toch had al deze schijnbaar tegenstrijdige eigenschappen die experimenteel werden waargenomen."

Toen 2017-experimenten in Japan enkele raadselachtige eigenschappen in CeCu . aan het licht brachten ₂ Si ₂ , Si vertelde Steglich dat de orbitaalselectieve theorie ze zou kunnen verklaren. Samen, bundelden ze hun krachten met het experimentele team van natuurkundige Huiqiu Yuan, adjunct-directeur van het Center for Correlated Matter aan de Zhejiang University in Hangzhou, China, om het idee te testen.

De theorie van Si en Nica voorspelde dat experimenten een specifieke reeks schijnbaar tegenstrijdige metingen van CeCu2Si2 zouden onthullen op voorwaarde dat het materiaal kan worden gekoeld tot een temperatuur die nog kouder is dan het kantelpunt dat supergeleiding veroorzaakt. De groep van Yuan voerde de experimenten uit en bevestigde de voorspelling.

"Historisch bewijs is altijd geweest dat de koppeling in dit materiaal d-golf is, " zei Nica. "Maar de experimenten bevestigden dat inderdaad, ondanks al het overweldigende bewijs dat het d-wave is, het heeft een functie die 'volledig geopende gaten' wordt genoemd en die normaal wordt geassocieerd met s-golf-supergeleiders. Onze theorie is tot nu toe de enige theorie die dit kan verklaren."

Si zei, "Het is enorm bevredigend op verschillende niveaus. Een daarvan is dat terwijl de fysica van de gecondenseerde materie veel materialen biedt met fascinerende eigenschappen, we zoeken uiteindelijk naar verenigende principes, vooral als theoretici. Ik heb jaren actief gezocht naar deze verenigende principes, maar we waren niet actief op zoek naar een verenigende verklaring toen we deze theorie voorstelden. Om het toegepast te zien, met een dergelijk effect, in een andere totaal onverwachte setting was een echte verrassing."