Vijfenveertig jaar nadat supergeleiding voor het eerst werd ontdekt in metalen, de fysica die eraan ten grondslag lag, werd uiteindelijk in 1957 uitgelegd aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, in de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) theorie van supergeleiding.

Dertig jaar na die prestatie van de benchmark, een nieuw mysterie waarmee fysici van de gecondenseerde materie geconfronteerd werden:de ontdekking in 1987 van koperoxide of hoge-temperatuursupergeleiders. Nu algemeen bekend als de cuprates, deze nieuwe klasse van materialen demonstreerde natuurkunde die volledig buiten de BCS-theorie viel. De cuprates zijn isolatoren bij kamertemperatuur, maar overgang naar een supergeleidende fase bij een veel hogere kritische temperatuur dan traditionele BCS-supergeleiders. (De kritische temperatuur van de cuprates kan oplopen tot 170 Kelvin - dat is -153,67 ° F - in tegenstelling tot de veel lagere kritische temperatuur van 4 Kelvin - of -452,47 ° F - voor kwik, een BCS-supergeleider.)

De ontdekking van hoge temperatuur supergeleiders, nu meer dan 30 jaar geleden, leek te beloven dat er tal van nieuwe technologieën op komst waren. Ten slotte, de supergeleidende fase van de cuprates kan worden bereikt met vloeibare stikstof als koelmiddel, in plaats van het veel duurdere en zeldzamere vloeibare helium dat nodig is om BCS-supergeleiders te koelen. Maar totdat het ongewone en onverwachte supergeleidende gedrag van deze isolatoren theoretisch kan worden verklaard, die belofte blijft grotendeels onvervuld.

Een stortvloed van zowel experimenteel als theoretisch natuurkundig onderzoek heeft getracht een bevredigende verklaring te vinden voor supergeleiding in de cuprates. Maar vandaag, dit blijft misschien wel de meest dringende onopgeloste vraag in de fysica van de gecondenseerde materie.

Nu een team van theoretische natuurkundigen van het Institute for Condensed Matter Theory (ICMT) in de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, onder leiding van Illinois natuurkunde professor Philip Phillips, heeft voor het eerst exact een representatief model van het cuprate-probleem opgelost, het Hatsugai-Kohmoto (HK) -model uit 1992 van een gedoteerde Mott-isolator.

Het team heeft zijn bevindingen online gepubliceerd in het tijdschrift Natuurfysica op 27 juli, 2020.

"Afgezien van het duidelijke verschil in supergeleidende temperaturen, de cuprates beginnen hun leven als Mott-isolatoren, waarin de elektronen niet onafhankelijk bewegen zoals in een metaal, maar veeleer sterk op elkaar inwerken, " legt Phillips uit. "Het zijn de sterke wisselwerkingen die ervoor zorgen dat ze zo goed isoleren."

In hun onderzoek hebben Het team van Phillips lost precies de analogie op van het 'Cooper pairing'-probleem uit de BCS-theorie, maar nu voor een gedoteerde Mott-isolator.

Wat is "Cooper-koppeling"? Leon Cooper demonstreerde dit sleutelelement van de BCS-theorie:de normale toestand van een traditioneel supergeleidend metaal is onstabiel voor een aantrekkelijke interactie tussen elektronenparen. Bij de kritische temperatuur van een BCS supergeleider, Cooper-elektronenparen reizen zonder weerstand door het metaal - dit is supergeleiding!

"Dit is het eerste artikel dat precies aantoont dat er een Cooper-instabiliteit bestaat in zelfs een speelgoedmodel van een gedoteerde Mott-isolator, " merkt Phillips op. "Hieruit laten we zien dat supergeleiding bestaat en dat de eigenschappen drastisch verschillen van de standaard BCS-theorie. Dit probleem was zo moeilijk gebleken, alleen numerieke of suggestieve fenomenologie was mogelijk vóór ons werk."

Phillips crediteert ICMT postdoctoraal Fellow Edwin Huang met het schrijven van de analoog van de BCS-golffunctie voor de supergeleidende toestand, voor het Mott-probleem.

"De golffunctie is het belangrijkste dat je moet hebben om te zeggen dat een probleem is opgelost, Phillips zegt. De golffunctie van John Robert Schrieffer bleek het computationele werkpaard van de hele BCS-theorie te zijn. Alle berekeningen zijn ermee gedaan. Voor interagerende elektronenproblemen, het is notoir moeilijk om een ​​golffunctie te schrijven. In feite, tot nu toe zijn er slechts twee golffuncties berekend die op elkaar inwerkende toestanden van materie beschrijven, een van Robert Laughlin in het fractionele kwantum Hall-effect, en de andere door Schrieffer in de context van BCS-theorie. Dus het feit dat Edwin dit voor dit probleem heeft kunnen doen, is een hele prestatie."

Gevraagd waarom de cuprates zo'n mysterie zijn gebleken voor natuurkundigen, Philips legt uit, "In feite, het zijn de sterke interacties in de Mott-toestand die een oplossing voor het probleem van supergeleiding in de cupraten hebben verhinderd. Het was zelfs moeilijk om de analogie van Cooper's koppelingsprobleem aan te tonen in elk model van een gedoteerde Mott-isolator."

Huang's Mott-isolatiegolffunctie maakte Phillips verder mogelijk, Huang, en afgestudeerde natuurkundestudent Luke Yeo om een ​​belangrijke experimentele puzzel in de cuprates op te lossen, bekend als "de kleurverandering". In tegenstelling tot metalen, de cupraten vertonen een verhoogde absorptie van straling bij lage energieën met een gelijktijdige afname van de absorptie bij hoge energieën. Het team van Phillips heeft aangetoond dat dit gedrag voortkomt uit de overblijfselen van wat Phillips 'Mott-fysica' of 'Mottness' in de supergeleidende toestand noemt.

Mottness is een term die door Phillips is bedacht om bepaalde collectieve eigenschappen van Mott-isolatoren in te kapselen, voor het eerst voorspeld kort na de Tweede Wereldoorlog door de Britse natuurkundige en Nobelprijswinnaar Nevill Francis Mott.

In aanvulling, de onderzoekers hebben aangetoond dat de superfluïde dichtheid, waarvan is waargenomen dat het wordt onderdrukt in de cuprates ten opzichte van zijn waarde in metalen, is ook een direct gevolg van de Mottness van het materiaal.

Verder, Het team van Phillips is verder gegaan dan het Cooper-probleem om aan te tonen dat het model supergeleidende eigenschappen heeft die buiten die van de BCS-theorie liggen.

"Bijvoorbeeld, "Philips legt uit, "de verhouding van de overgangstemperatuur tot de energiekloof in de supergeleidende toestand is veel groter dan die in de BCS-theorie. Bovendien, ons werk laat zien dat de elementaire excitaties in de supergeleidende toestand ook buiten het BCS-paradigma liggen, omdat ze voortkomen uit het brede scala aan energieschalen die inherent zijn aan de Mott-toestand."