In de laatste paar decennia, onderzoekers hebben een aantal supergeleidende materialen geïdentificeerd met atypische eigenschappen, bekend als onconventionele supergeleiders. Veel van deze supergeleiders hebben dezelfde afwijkende ladingstransporteigenschappen en worden dus gezamenlijk gekarakteriseerd als 'vreemde metalen'.

Onderzoekers van de Universiteit van Californië, Berkeley (UC Berkeley) en Los Alamos National Laboratory hebben onderzoek gedaan naar de afwijkende transporteigenschappen van vreemde metalen, samen met verschillende andere teams wereldwijd. In een recent artikel gepubliceerd in Natuurfysica , ze toonden aan dat in een van deze materialen, BaFe ₂ (Als _{1− x} P _x ) ₂ , supergeleiding en kwantumkritiek zijn verbonden door wat bekend staat als het Hall-effect.

Al decenia, natuurkundigen hebben de T-lineaire weerstand niet volledig kunnen begrijpen, een handtekening van vreemde metalen die vaak is waargenomen in veel onconventionele supergeleiders. in 2016, het team van UC Berkeley en Los Alamos National Lab observeerde een ongebruikelijke schaalrelatie tussen het magnetische veld en de temperatuur in supergeleider BaFe ₂ (Als _{1− x} P _x ) ₂ .

Schaalverschijnselen worden meestal waargenomen net voordat een systeem overgaat van de ene fase naar de andere (bijvoorbeeld van vloeistof naar gas), momenten die kritieke punten worden genoemd. Dit inspireerde de onderzoekers om te onderzoeken of een soortgelijk fenomeen zich ook voordeed in het Hall-effect, een gerelateerd ladingtransportfenomeen.

"Het schaalgedrag ontstaat omdat in de buurt van een kritiek punt, sommige eigenschappen worden schaalinvariant, "James G. Analytis, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Dit komt omdat er fasefluctuaties zijn op het kritieke punt die op alle lengte- en tijdschalen voorkomen. Hetzelfde fundamentele fenomeen leidt tot kritische opalescentie in een vloeistof-gasovergang, maar in het onderhavige geval de fluctuaties vinden hun oorsprong in het onzekerheidsprincipe van Heisenberg. In onze recente studie, we hebben het schaalgedrag niet zo duidelijk waargenomen als voorheen, maar we hebben iets gevonden dat we niet hadden verwacht."

Om hun experimenten uit te voeren, Analytis en hun collega's hebben BaFe . gesynthetiseerd ₂ (Als _{1− x} P _x ) ₂ kristallen in het Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) en plaatste ze vervolgens onder hoge magnetische velden in de hoge veldfaciliteit van Los Alamos National Lab, die wordt beheerd door het door de NSF gefinancierde National High Magnetic Field Lab (NHMFL). Bij deze veldfaciliteit onderzoekers kunnen metingen verzamelen voor een aanzienlijke hoeveelheid magneettijd.

"Het is zeer competitief om deze magneettijd te krijgen, waarmee u tot 65 T kunt meten, Analytis legde uit. "Elk materiaal moet afzonderlijk worden gemeten, met meerdere monsters om reproduceerbaarheid te garanderen. In alles, we hebben waarschijnlijk ongeveer vier weken magneettijd besteed aan het verzamelen van onze gegevens."

De experimenten van Analytis en zijn collega's leverden een aantal interessante resultaten op. Eerst, de onderzoekers ontdekten dat het Hall-effect uit twee verschillende 'termen' lijkt te bestaan:een conventionele die eenvoudigweg verband houdt met het aantal elektronen in het systeem, en een vreemde metalen term die piekt wanneer BaFe ₂ (Als _{1− x} P _x ) ₂ nadert zijn kwantumkritieke punt.

"Het scheiden van het Hall-effect in twee bijdragen is heel natuurlijk in ferromagnetische metalen omdat het systeem twee duidelijke bijdragen heeft:de dragers in het metaal en de magnetisch geordende spins, " legde Analytis uit. "De tweede bijdrage wordt het afwijkende Hall-effect genoemd. Wat we zien lijkt analoog te zijn aan een abnormaal Hall-effect, maar ik benadruk dat er geen ferromagnetisme is. Hier, de afwijkende bijdrage lijkt voort te komen uit magnetische fluctuaties in de buurt van het kritieke punt."

Twee belangrijke feiten illustreren het verband tussen kwantumkritiek en supergeleiding, onthuld door Analytis en zijn collega's:de eerste is dat in vreemde metalen, supergeleiding komt voor in een volledig fasediagram; de tweede is dat het Hall-effect in wezen een maat is voor het aantal deeltjes (d.w.z. elektronen of gaten) in een systeem.

De onderzoekers merkten op dat het afwijkende effect dat werd waargenomen in BaFe ₂ (Als _{1− x} P _x ) ₂ als het zijn kwantumkritieke punt nadert, houdt het alleen op wanneer supergeleiding dat doet. Bovendien, ze ontdekten dat de grootte van de nultemperatuur van de afwijkende term van het Hall-effect gecorreleerd was met de grootte van de supergeleidende Tc. Dit suggereert dat de bijdrage van het vreemde metaal aan het Hall-effect is, in feite, een maat voor de opkomende entiteiten die verantwoordelijk zijn voor supergeleiding.

"Er was een tweede observatie die verband hield met de eerder waargenomen schaalinvariantie, Analytis zei. "In een gebied van het fasediagram dat bekend staat als de 'kritische ventilator' (het gebied waarvan wordt gedacht dat het wordt gedomineerd door fluctuaties), de vreemde metaalbijdrage hangt alleen af ​​van de temperatuur, alsof temperatuur de omvang van de fluctuaties in het systeem bepaalt. Het belangrijkste is, de vreemde metaalbijdrage was onafhankelijk van samenstelling X, ook al is de conventionele bijdrage met een factor drie of meer veranderd; wat betekent dat het vreemde metalen Hall-effect niet alleen een extra ladingsbron is, maar dat het voortkomt uit de collectieve beweging van alle elektronen wanneer ze een kwantumkritische faseovergang naderen."

Bij het bestuderen van hoge Tc, onderzoekers proberen meestal de opkomende excitaties te begrijpen die verantwoordelijk zijn voor supergeleiding in een materiaal. In conventionele supergeleiders, Van deze excitaties is nu bekend dat ze worden gekarakteriseerd als eenvoudige elektronen of gaten.

De recente studie van Analytis en zijn collega's zou uiteindelijk de aard van de excitaties die verantwoordelijk zijn voor supergeleiding in vreemde metalen kunnen verhelderen, die tot nu toe ongrijpbaar is gebleven. Bovendien, de onderzoekers hebben een strategie geïdentificeerd die kan worden gebruikt om te meten of deze excitaties aanwezig zijn in een materiaal of niet.

"Het zou heel spannend zijn om te zien of de eigenschappen die we hebben onthuld, ook van toepassing zijn op andere supergeleiders, "Zei Analytis. "Op dit moment, we willen deze metingen uitbreiden naar verschillende delen van het fasediagram en naar verschillende verbindingen. Dit zijn allemaal lange en gecompliceerde experimenten die uitgebreide synthese en tijd vereisen in high field labs (zoals de NHMFL), maar we weten in ieder geval precies wat we zoeken, nu."

In hun volgende studies, de onderzoekers willen ook op zoek gaan naar strategieën en tools die kunnen worden gebruikt om de spin-vrijheidsgraden in onconventionele supergeleiders direct te onderzoeken. In feite, de meeste bestaande methoden hebben de neiging om de vrijheidsgraden van een materiaal te onderzoeken, wat hun generaliseerbaarheid over verschillende materialen aanzienlijk beperkt.

"Het Hall-effect zal deze altijd door elkaar halen, en we hadden geluk dat in deze materialen, ze scheiden in 'conventionele' en 'vreemde metalen' bijdragen, "Zei Analytis. "Maar om universaliteiten in verschillende materiaalklassen te zien, het zal belangrijk zijn om nieuwe sondes te ontwikkelen met een directere gevoeligheid voor het 'vreemde metaal' deel van het systeem."

© 2020 Wetenschap X Netwerk