De isolatie van grafeen meer dan een decennium geleden veranderde het landschap van de fysica van de gecondenseerde materie, als de enkelvoudige atoomdikke, tweedimensionaal materiaal vertoonde een hoge kristal- en elektronische kwaliteit om een ​​conceptueel nieuwe klasse van kwantummaterialen te vertegenwoordigen. Natuurkundigen en ingenieurs hebben sindsdien een uitgebreide familie van tweedimensionale kristallen onderzocht, bekend als overgangsmetaaldichalcogeniden (TMD's), waarin elektronen voorkomen in lagen met isolerende, geleidende of halfgeleidende eigenschappen, hoewel er weinig aandacht is besteed aan het onderzoeken van supergeleiding in de 2D-kristallen. Lopend werk in het veld blijft verrassend vruchtbare grond bieden voor toepassingen in laagdimensionale fysica.

Recente ontdekkingen in hoge T _C supergeleiders hebben geleid tot een intense interesse in een "paardichtheidsgolf" (PDW) gevormd in Cooper-paren (een elektronenpaar dat bij lage temperaturen aan elkaar is gebonden), hoewel er weinig theoretisch inzicht is in de drijvende mechanismen van deze exotische staat. De complexiteit is het gevolg van de vele concurrerende staten die in de sterk gecorreleerde regio nauw met elkaar in verbinding staan ​​binnen schijnbaar eenvoudige modellen en fenomenen zoals het Hubbard-model, gefrustreerde magneten en hoge temperatuur supergeleiders. In een recente studie, Jordan Venderley en Eun-Ah Kim aan de Cornell University, New York, toonde aan dat het breken van inversiesymmetrie en resulterende spin-valleivergrendeling PDW's zou kunnen bevorderen om de meer algemeen gevonden spin- en ladingsstrepen te overwinnen door frustratie tegen magnetische orde. De studie gedetailleerd het eerste robuuste bewijs voor een PDW in dichtheidsmatrix renormalisatie van een eenvoudig fermionische model via groepssimulatie. De resultaten wezen op een intrigerende mogelijkheid van de exotische toestand die voorkomt in met gaten gedoteerde groep VI overgangsmetaal dichalcogeniden (TMD's) met spin-valley-locked bandstructuur en matige correlaties. De resultaten zijn nu gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .

Hoge temperatuur supergeleiders (afgekort high-T _C ) zijn materialen die zich gedragen als supergeleiders bij extreem hoge overgangstemperaturen. Het eerste experimentele bewijs van supergeleiders werd ontdekt door J.G. Bednorz en K.A. Müller bij IBM's Zurich Research Lab in 1986, waarvoor ze vervolgens in 1987 de Nobelprijs voor de natuurkunde kregen. Recente experimentele en theoretische ontwikkelingen hebben het idee van een gereguleerde of gemoduleerde supergeleidende toestand nieuw leven ingeblazen die de translatiesymmetrie spontaan doorbreekt. Vroege pogingen om supergeleiders te reguleren, hebben de principes in het oorspronkelijke Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnkov (FFLO) -model nauw gehandhaafd, voorgesteld in 1964. Een alternatief voorstel voor een gemoduleerde gepaarde toestand voor cupraten (materialen die anionische kopercomplexen bevatten) vereist een sterk koppelingsmechanisme, bekend als een paardichtheidsgolf (PDW), die verschilt van supergeleiders van het FFLO-type.

De bestaande behoefte aan een sterk koppelingsmechanisme bracht natuurkundigen ertoe om in numerieke simulaties naar de PDW-toestand te zoeken. Het huidige bewijs van een PDW in de densiteitsmatrix-renormalisatiegroep (DMRG) werd alleen vastgesteld in het eendimensionale (1D) Kondo-Hisenberg-model. Numeriek bewijs van de gecontroleerde benadering van de DMRG is, echter, ontbreken in eenvoudige fermionische modellen. Een kenmerkende moeilijkheid bij het realiseren van een dergelijke toestand is te wijten aan de aanwezigheid van spin- en ladingsstreepgrondtoestanden in plaats van de PDW-toestand op een Hubbard- of tJ-model in een vierkant rooster met open-rotatiesymmetrie. Het t-J-model, voor het eerst afgeleid van het Hubbard-model door Josef Spalek in 1977, beschreef sterk gecorreleerde elektronensystemen om toestanden van supergeleiding bij hoge temperatuur te berekenen in gedoteerde antiferromagneten (bestaande uit enkele Fe-atomen op een oppervlak dat twee magnetische toestanden vertoont).

Hoewel er veel modellen bestaan ​​in verschillende takken van de natuurkunde, het Hubbard-model is een iconisch en eenvoudig apparaat van theoretische fysica van de gecondenseerde materie dat het gedrag van gecorreleerde elektronen in vaste stoffen vastlegt terwijl ze tussen roosterplaatsen springen. In de huidige studie, Venderley en Kim wendden zich daarom tot een Hubbard-model en verwachtten dat de frustrerende magnetische spin-volgorde systemen in een PDW-staat zou duwen op een gefrustreerd driehoekig rooster met gebroken inversiesymmetrie. Het model ving de met gaten gedoteerde monolaag groep IV TMD's, gebruikt als benchmarksystemen om met elkaar verweven elektronische bestellingen te bestuderen en te controleren, gevoed door exotische mogelijkheden aangedreven door spin-orbit-koppeling (SOC) en een gebrek aan centrosymmetrie, naast supergeleiding zoals waargenomen in eerdere studies.

De DMRG (density matrix renormalization group) is een krachtige niet-perturbatieve methode die wordt gebruikt om sterk op elkaar inwerkende elektronische systemen te bestuderen en een gevarieerde selectie van sterk gecorreleerde, concurrerende kwantumverschijnselen. De DMRG-techniek werd in het afgelopen decennium opgericht als de toonaangevende methode om statica en dynamica van eendimensionale kwantumroostersystemen te simuleren, met potentieel voor verdere ontwikkeling. Om toegang te krijgen tot de supergeleidende neigingen van het systeem, Venderley en Kim implementeerden een pair-edge field gemotiveerd door de field-pinning benadering, die ten grondslag liggen aan verschillende eerdere onderzoeken. Ze vertekenden het systeem naar een specifieke supergeleidende toestand en bestudeerden de opkomende symmetrie van de juiste ordeparameter in de bulk om de neiging van het model naar verschillende instabiliteiten af ​​te leiden.

De wetenschappers voerden de DMRG-berekeningen en DMRG-simulaties uit in tweedimensionale systemen met behulp van de iTensor-bibliotheek ontwikkeld door Stoudenmire en White. Ze presenteerden de DMRG-simulaties in een cilinder met cellen van drie eenheden in de periodieke richting en 12-, 18-, 24- en 36-eenheidscellen in de niet-periodieke richting. De breedte van de simulatie was voldoende groot om de zakken in het Fermi-oppervlak te bemonsteren, maar niet zo groot dat de DMRG onbetaalbaar werd voor de rekenkracht in het laboratorium.

Om de spin-vallei vergrendelde Fermi-oppervlakken vast te leggen in een-bandmodel in de valentiegroep VI TMD's, de wetenschappers beschouwden een nauwsluitend model van de naaste buur op het Fermi-oppervlak, waar de magnetische flux kleine hoeveelheden anisotropie in de zakken introduceerde, analoog aan die waargenomen in echte halfgeleidermaterialen zoals MoS ₂ , gevolgd door het opnemen van interacties ter plaatse. In het huidige werk, de DMRG-simulatie onthulde onverwachts een neiging om de translatiesymmetrie in het afstotelijke interactieregime te doorbreken om een ​​gemoduleerde paartoestand te vormen, waarna de wetenschappers bewijs observeerden van de vorming en het onderhoud van robuuste PDW-oscillaties, ondanks veranderingen (toename) in de gesimuleerde chemische potentiaal. Deze waarneming door Venderley en Kim was het eerste rapport van een sterke koppelingsgestuurde PDW binnen DMRG-simulaties van een eenvoudig fermionische model. De fase-oscillaties uitgezet in deze studie, leek sterk op het gedrag van het PDW-type dat werd gerapporteerd in het eerdere 1D Kondo-Hisenberg-model.

Venderley en Kim transformeerden vervolgens deze oscillaties om te suggereren dat het oneindige momentum van de Cooper-paren voortkwam uit het samenspel tussen de Fermi-pockets. Deze mening werd versterkt toen ze het effect onderzochten van het verhogen van het chemische potentieel in het onderzoek (waardoor de zakradius afnam). Vervolgens legden ze oscillaties vast in de singlet-paarsterkte en in de ladingsdichtheid van de binding om aan te tonen dat beide orden werden gedomineerd door dezelfde Fourier-modus.

Op deze manier, Venderley en Kim gebruikten DMRG om supergeleidende neigingen van een weerzinwekkend te bestuderen u Hubbard-model op een driehoekig rooster met spin-valleivergrendeling. Ze onderzochten de tendensen om het complexe supergeleidende fasediagram van het model met translatie-symmetrie-brekende supergeleidende toestanden te onthullen; mogelijk in concurrentie met een uniforme staat. Terwijl onderzoekers geïnteresseerd zijn in het moduleren van supergeleidende toestanden, het waargenomen was het eerste rapport van een sterke koppeling-aangedreven PDW gevormd in een eenvoudig fermionische model. Venderley en Kim willen vervolgens onderzoeken of de waargenomen PDW-toestand kan worden gevonden in een echt 2-D-omgeving door een andere numerieke techniek te gebruiken, zoals de dichtheidsmatrix-inbeddingstheorie die hoogwaardige resultaten heeft laten zien in 2-D Hubbard-modellen.

© 2019 Wetenschap X Netwerk