Natuurkundigen van het Ames Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy hebben met succes metingen uitgevoerd van een op ijzer gebaseerde supergeleider in een belangrijk maar moeilijk te bereiken regime waar kritische kwantumfluctuaties de fysica domineren. Met behulp van een nieuwe detectietechniek, ze brachten de kwantumfaseovergang nauwkeurig in kaart - een fenomeen waarvan wordt aangenomen dat het nauw is gekoppeld aan supergeleiding - diep in de supergeleidende toestand.

De innovatieve proefopstelling, zogenaamde stikstofvacature (NV) magnetoscoop, is zeer gevoelig, praktisch niet-invasief, en nauwkeuriger dan die die eerder werden gebruikt om vergelijkbare fysica in supergeleidende materialen te onderzoeken.

"Dit is een werkelijk fascinerend resultaat in de wetenschap van supergeleiders - een duidelijk beeld krijgen van hoe kwantumfase-overgang samengaat met supergeleiding. Het lijkt erop dat de supergeleidende fase kwantumkritisch gedrag beschermt tegen de effecten van wanorde. Dit is vrij opmerkelijk!" zei Prozorov, een Ames Laboratory-fysicus. "Terwijl we andere materialen met deze nieuwe mogelijkheid blijven bestuderen, het zal helpen bij het beantwoorden van belangrijke theoretische vragen over de oorsprong van onconventionele supergeleiding."

Het team gebruikte de NV-scope om de penetratiediepte in Londen nauwkeurig te meten, dat is de diepte die een magnetisch veld vanaf het oppervlak in een supergeleider doordringt. Deze diepte is direct gerelateerd aan de effectieve elektronenmassa, dat is de hoeveelheid die wordt beïnvloed door kwantumfluctuaties en signaleert het bestaan ​​​​van een kwantumfase-overgang. Door systematisch verschillende samenstellingen van een ijzerpnictideverbinding te meten, Ba(Fe, Co) ₂ Als ₂ , geteeld in het Ames Laboratory door de onderzoeksgroep van Paul Canfield, Het team van Prozorov zou de aanwezigheid van de kwantumfaseovergang in kaart kunnen brengen die normaal verborgen is onder de supergeleidingskoepel, " als de temperatuur het absolute nulpunt nadert.

Prozorov leidt een team van wetenschappers in zijn lage-temperatuurlab in Ames Laboratory, het intrigerende gedrag van supergeleiders onderzoeken, en proberen te ontrafelen hoe verschillende kwantumverschijnselen hun prestaties beïnvloeden. Ze zijn gespecialiseerd in de ontwikkeling van unieke ultrahoge precisie en gevoelige experimentele technieken om de optische, magnetische en elektrische handtekeningen van dit gedrag. De NV-scope is vanaf de grond opgebouwd in het Ames Laboratory door stafwetenschapper Naufer Nusran en afgestudeerde student Kamal Joshi. Het is een optische magnetometer die voordeel haalt uit de kwantumtoestand van een bepaald soort atoomdefect, zogenaamde stikstof-leegstand (NV) centra, in diamant. Nusran bedacht ook de nieuwe manier om de NV-centra in te zetten voor het meten van een lager kritisch veld dat leidt tot penetratiediepte in Londen.

"De penetratiediepte van Londen is een van de meest fundamentele parameters die supergeleiders beschrijven; het vertelt je in feite hoe robuust supergeleiding is, "zei Prozorov. "Ik heb deze hoeveelheid gedurende het grootste deel van mijn onderzoekscarrière met verschillende technieken gemeten en NV-sensing vertegenwoordigt een aanzienlijke vooruitgang in experimentele supergeleiding."

Zeven jaar geleden, Het laboratorium van Prozorov maakte deel uit van een internationale onderzoekssamenwerking die het eerste duidelijke bewijs vond dat het kwantumkritieke punt (QCP) diep in de supergeleidende toestand overleefde. Het huidige werk, nieuwe benaderingen gebruiken, onderzoekt supergeleidende systemen met een aanzienlijke hoeveelheid wanorde. Samen, deze werken bewijzen dat kwantumfaseovergang en kritische fluctuaties niet alleen samengaan met supergeleiding, maar kan er zelfs door worden beschermd tegen de gevolgen van wanorde. De resultaten zijn een andere belangrijke aanwijzing voor het oplossen van het mysterie van op ijzer gebaseerde supergeleiding.

"Nog, er is nog veel meer te doen, om de wetenschap van onconventionele supergeleiders in het algemeen volledig te onderzoeken. Daarom, Er zullen nieuwere en meer geavanceerde methoden voor kwantumdetectie moeten worden ontwikkeld", aldus Nusran. en vele andere materiaalwetenschappelijke problemen."Deze nieuwe mogelijkheden zullen uiteindelijk licht werpen op de beperkende voorwaarden en haalbaarheid van supergeleiders en andere kwantummaterialen voor technologische toepassingen."

Het onderzoek wordt verder besproken in de paper, "Quantum faseovergang in de supergeleidende koepel van Ba(Fe .) _1-x Co _x ) ₂ Als ₂ van op diamanten gebaseerde optische magnetometrie" geschreven door Kamal R. Joshi, Naufer Nusran, Makariy A. Tanatar, Kyuil Cho, Sergey L Bud'ko, Paul C Canfield, Rafael M Fernandes, Alex Levchenko en Ruslan Prozorov; en gepubliceerd in de Nieuw tijdschrift voor natuurkunde .