In de overgrote meerderheid van supergeleidende materialen, Cooperparen hebben een zogenaamde even pariteit, wat in wezen betekent dat hun golffunctie niet verandert wanneer elektronen ruimtelijke coördinaten verwisselen. Omgekeerd, sommige onconventionele supergeleiders bleken Cooper-paren met oneven pariteit te bevatten. Deze kwaliteit maakt deze onconventionele materialen bijzonder veelbelovend voor kwantumcomputertoepassingen.

Eerdere studies hebben voorspeld dat niet-centrosymmetrische supergeleiders, die een kristalstructuur hebben zonder inversiecentrum, unieke en ongewone eigenschappen kunnen vertonen. In recente jaren, niet-centrosymmetrische supergeleiders zijn een populair onderzoeksonderwerp geworden vanwege de structuur van de Cooper-paren die ze bevatten, die een mengsel van oneven en even pariteit hebben.

CaPtAs is een nieuwe niet-centrosymmetrische supergeleider die is ontdekt door onderzoekers van de Zhejiang University. Samen met wetenschappers van het Paul Scherrer Institut en andere instituten wereldwijd, deze onderzoekers hebben onlangs een onderzoek uitgevoerd naar onconventionele supergeleiding in deze verbinding. hun papier, gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , bewijst dat in zijn supergeleidende staat, CaPtAs vertoont tegelijkertijd zowel nodale supergeleiding als gebroken tijdomkeringssymmetrie (TRS).

"Het was bekend dat de kristalstructuur van CaPtAs niet-centrosymmetrisch was, en daarom, we dachten dat het interessant zou zijn om te bepalen of het ook een supergeleider is, "Huiqiu Yuan, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "In een eerder dit jaar gepubliceerde paper we meldden dat CaPtAs inderdaad een niet-centrosymmetrische supergeleider is, die supergeleidend wordt onder 1,5 K. We zagen ook hints van ongebruikelijke supergeleidende eigenschappen, namelijk een nodale supergeleidende kloof."

De observaties die in hun eerdere werk werden verzameld, inspireerden Yuan en zijn collega's om geavanceerde metingen te verzamelen waarmee ze de onconventionele supergeleidende eigenschappen van CaPtAs dieper konden onderzoeken. Het belangrijkste doel van hun recente onderzoek was om te bepalen of wanneer CaPtAs zich in zijn supergeleidende toestand bevindt, de tijdomkeringssymmetrie wordt verbroken.

De onderzoekers maten ook de magnetische penetratiediepte van de niet-centrosymmetrische supergeleider bij zeer lage temperaturen, om de structuur van de supergeleidende kloof beter te begrijpen. Specifieker, ze wilden bepalen of de supergeleidende kloof van het materiaal zogenaamde 'knooppunten, " punten waarop de spleetamplitude gelijk is aan nul.

"In onze studie het bewijs voor het breken van de tijdomkering van de symmetrie kwam van het gebruik van de muon spin-relaxatie/rotatie (μSR) techniek, terwijl het bewijs voor nodale supergeleiding afkomstig was van zowel μSR, de tunneldiodeoscillator (TDO) methode, evenals de soortelijke warmte, ' zei Yuan.

Muon spin relaxatie/rotatie (μSR) is een krachtige methode voor het nauwkeurig meten van magnetische velden in een materiaal, die positief geladen anti-muonen als sonde gebruikt. Een kenmerk van het breken van de symmetrie van de tijdomkering in een supergeleider is dat zeer kleine magnetische velden spontaan verschijnen wanneer de supergeleider wordt afgekoeld tot zijn kritische temperatuur. μSR is een van de weinige bestaande technieken die gevoelig genoeg zijn om zulke kleine magnetische velden in materialen te detecteren.

"We implanteerden de spin-gepolariseerde muonen in de supergeleider, " Tian Shang van het Paul Scherrer Institut legde uit. "De positieve muonen worden gegenereerd in gespecialiseerde meetfaciliteiten door een protonenbundel te laten botsen met een koolstofdoelwit. Onze μSR-experimenten werden uitgevoerd in het Paul Scherrer Instituut in Zwitserland."

Muonen zijn zeer onstabiele elementaire deeltjes die snel vervallen, met een halfwaardetijd van 2,2 µs, in een positron en twee neutrino's. De spin van een muon wordt typisch beïnvloed door magnetische velden in een materiaal. Daarom, door muonen in een materiaal te implanteren, kunnen onderzoekers de aard van deze magnetische velden reconstrueren, simpelweg door de verdeling van de positronen die in de loop van de tijd worden uitgestoten te meten.

"Vooral, men telt meestal het aantal positronen aan tegenovergestelde uiteinden van het monster, en hoe het verschil tussen deze getallen, de 'asymmetrie, " veranderingen in de tijd kunnen worden gebruikt om de kleine extra magnetische velden te detecteren wanneer de tijdomkeringssymmetrie wordt verbroken, ' zei Shang.

De natuurkundige term 'nodale supergeleiding' verwijst naar de aard van de energiekloof in een supergeleider, wat de drempelenergie is die nodig is om een ​​Cooper-paar uit elkaar te halen. In nodale supergeleiders, deze energiekloof is nul voor Cooper-paren die in bepaalde richtingen bewegen. Dit betekent dat de thermische energie Cooper-paren zelfs bij zeer lage temperaturen uit elkaar kan halen.

Nodale supergeleiding kan dus worden gedetecteerd door het aantal Cooper-paren in een materiaal te tellen. Als het aantal Cooper-paren in een supergeleider blijft toenemen naarmate de temperatuur ver onder de kritische supergeleidende temperatuur wordt verlaagd, men kan verwachten dat het materiaal nodale supergeleiding vertoont.

"We hebben de magnetische penetratiediepte van CaPtAs gemeten als functie van de temperatuur tot zeer lage temperaturen (minder dan 0,1 K) met behulp van twee methoden, waaruit het mogelijk is om te bepalen hoe het aantal Cooper-paren verandert met de temperatuur, " Michael Smidman van de Zhejiang University zei. "Een methode om dit te doen is μSR, waar een magnetisch veld op het materiaal wordt aangelegd. Aangezien CaPtAs een type II supergeleider is, het veld zal het materiaal binnendringen via magnetische fluxlijnen om een ​​vortexrooster te vormen en de verdeling van deze fluxlijnen kan worden gedetecteerd met behulp van μSR. De verdeling hangt af van de magnetische penetratiediepte, dus de hoeveelheid Cooper-paren is dan gemakkelijk te bepalen."

Yuan en zijn collega's gebruikten ook een ander meetinstrument dat bekend staat als tunneldiode-oscillator (TDO). TDO's zijn zeer gevoelige instrumenten voor het meten van de temperatuurafhankelijkheid van de magnetische indringdiepte.

Eigenlijk, de onderzoekers plaatsten CaPtAs in een spoel, die deel uitmaakt van een LC-kring. De stroom in deze spoel genereert een heel klein magnetisch veld dat niet diep in de supergeleider kan doordringen vanwege het zogenaamde Meissner-effect, toch kan het nog steeds een bepaalde afstand onder het oppervlak bereiken.

"Deze afstand wordt gekenmerkt door een hoeveelheid die bekend staat als de magnetische penetratiediepte, Yuan legde uit. "Als de penetratiediepte van de supergeleider verandert met de temperatuur, dan verandert ook de inductantie van de spoel, en dit kan worden gedetecteerd door de verandering van de resonantiefrequentie van de LC-kring te meten."

Door deze technieken toe te passen op de supergeleider CaPtAs, de onderzoekers verzamelden bewijs van zijn nodale supergeleiding. Specifieker, toen ze het aantal Cooper-paren in het materiaal berekenden, ze ontdekten dat hun resultaten konden worden verklaard door modellen waarin de opening in de supergeleider nodaal is.

"Dit bleek vooral uit het feit dat naarmate de temperatuur daalde, de superfluïde dichtheid bleef toenemen, " zei Smidman. "Als CaPtAs een supergeleider met volledige gapped was, de superfluïde dichtheid zou verzadigen bij lage temperaturen."

Hoewel veel onderzoekers eerder de aanwezigheid van ongebruikelijke supergeleidende eigenschappen in niet-centrosymmetrische supergeleiders voorspelden, dit werd niet altijd experimenteel bevestigd. Eerdere studies identificeerden een handvol magnetische niet-centrosymmetrische supergeleiders met een supergeleiding die duidelijk verschilt van de conventionele elektron-fononmechanismen die worden beschreven door de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) -theorie, die zich manifesteerde in ongewone fysieke verschijnselen. Echter, veel niet-centrosymmetrische supergeleiders zonder magnetische ionen bleken vergelijkbare eigenschappen te vertonen als hun conventionele centrosymmetrische tegenhangers.

"In sommige gevallen, gebroken tijdomkeersymmetrie wordt gevonden in niet-centrosymmetrische supergeleiders, maar hun andere eigenschappen lijken nog steeds veel op conventionele supergeleiders, " zei Yuan. "In het bijzonder, ze hebben over het algemeen volledig open supergeleidende openingen. Onze bevindingen leveren bewijs van nodale supergeleiding en tijdomkering van symmetriebreking in CaPtAs, en ons zo in staat te stellen een verband te leggen tussen wat over het algemeen duidelijk verschillende soorten niet-centrosymmetrische supergeleiders waren geweest."

Yuan en zijn collega's ontdekten dat de nodale supergeleiding in CaPtAs lijkt op die waargenomen in magnetische niet-centrosymmetrische supergeleiders. Dit betekent dat CaPtAs een uitstekende kandidaat zou kunnen zijn voor het onderzoeken van de gemengde singlet-triplet-koppeling die men in deze systemen zou verwachten.

De studie biedt ook waardevol inzicht in de mogelijke mechanismen achter het breken van TRS in een breed scala aan supergeleiders. In de toekomst, andere onderzoeksteams zouden inspiratie kunnen putten uit hun werk en CaPtA's kunnen gebruiken om mechanismen van topologische supergeleiding en TRS te onderzoeken.

"Hoewel we bewijs hebben voor een ongebruikelijke supergeleidende toestand in CaPtAs met zowel nodale supergeleiding als gebroken tijdomkeringssymmetrie, de gedetailleerde structuur van de supergeleidende kloof en de onderliggende mechanismen die aanleiding geven tot dit gedrag moeten nog worden bepaald, " voegde Yuan eraan toe. "In onze volgende studies, we zijn geïnteresseerd in het identificeren van een specifieke vorm van de supergeleidende koppeling die beide resultaten kan verklaren, en vervolgens op microscopisch niveau te begrijpen wat het is met CaPtAs dat deze nieuwe supergeleiding tot stand brengt. Ook willen we nagaan of topologische supergeleiding kan worden gerealiseerd in CaPtAs."

© 2020 Wetenschap X Netwerk