Een nieuwe theorie die zou kunnen verklaren hoe onconventionele supergeleiding ontstaat in een diverse reeks verbindingen, zou misschien nooit zijn gebeurd als natuurkundigen Qimiao Si en Emilian Nica een andere naam hadden gekozen voor hun 2017-model van orbitaal-selectieve supergeleiding.

In een studie die deze maand is gepubliceerd in npj Quantum Materialen , Si van Rice University en Nica van Arizona State University beweren dat onconventionele supergeleiding in sommige op ijzer gebaseerde en zware-fermionmaterialen voortkomt uit een algemeen fenomeen dat 'multiorbital singlet pairing' wordt genoemd.

Bij supergeleiders, elektronen vormen paren en stromen zonder weerstand. Natuurkundigen kunnen niet volledig verklaren hoe paren zich vormen in onconventionele supergeleiders, waar kwantumkrachten aanleiding geven tot vreemd gedrag. Zware fermionen, een ander kwantummateriaal, bevatten elektronen die duizenden malen massiever lijken te zijn dan gewone elektronen.

Si en Nica stelden in 2017 het idee voor van selectieve koppeling binnen atomaire orbitalen om onconventionele supergeleiding in alkalische ijzerseleniden te verklaren. Volgend jaar, ze pasten het orbitaal-selectieve model toe op het zware fermionmateriaal waarin onconventionele supergeleiding voor het eerst werd aangetoond in 1979.

Ze overwogen het model te noemen naar een verwante wiskundige uitdrukking die beroemd werd gemaakt door kwantumpionier Wolfgang Pauli, maar koos ervoor om het d+d te noemen. De naam verwijst naar wiskundige golffuncties die kwantumtoestanden beschrijven.

"Het is alsof je een paar elektronen hebt die met elkaar dansen, " zei Si, Harry C. en Olga K. Wiess van Rice, hoogleraar natuurkunde en sterrenkunde. "Je kunt die dans karakteriseren door s-wave, p-golf en d-golf kanalen, en d + d verwijst naar twee verschillende soorten d-golven die samensmelten tot één."

In het jaar na publicatie van het d+d-model, Si gaf veel lezingen over het werk en ontdekte dat leden van het publiek de naam vaak verwarden met "d+id, " de naam van een andere koppelstaat waarover natuurkundigen al meer dan een kwart eeuw discussiëren.

"Mensen benaderden me na een lezing en zeiden:'Je theorie van d+id is echt interessant, ' en ze bedoelden het als een compliment, maar het gebeurde zo vaak dat het vervelend werd, " zei Si, die ook het Rice Center for Quantum Materials (RCQM) leidt.

Medio 2019, Si en Nica ontmoetten elkaar tijdens de lunch tijdens een bezoek aan Los Alamos National Laboratory, en begon verhalen te delen over de d+d versus d+id verwarring.

"Dat leidde tot een discussie of d+d op een zinvolle manier met d+id zou kunnen worden verbonden, en we realiseerden ons dat het geen grap was, ' zei Nika.

De verbinding omvatte d + d-paartoestanden en die welke beroemd zijn geworden door de Nobelprijswinnende ontdekking van helium-3-superfluïditeit.

"Er zijn twee soorten superfluïde koppelingstoestanden van vloeibaar helium-3, de ene heet de B-fase en de andere de A-fase, "Zei Nica. "Empirisch, de B-fase is vergelijkbaar met onze d + d, terwijl de A-fase bijna een d+id is."

De analogie werd intrigerender toen ze wiskunde bespraken. Natuurkundigen gebruiken matrixberekeningen om kwantumpaartoestanden in helium-3 te beschrijven, en dat is ook het geval voor het d+d-model.

"Je hebt een aantal verschillende manieren om die matrix te organiseren, en we realiseerden ons dat onze d+d-matrix voor de orbitale ruimte een andere vorm was van de d+id-matrix die helium-3-paren in de spinruimte beschrijft, ' zei Nika.

Si zei dat de associaties met superfluïde helium-3-koppelingstoestanden hem en Nica hebben geholpen om een ​​meer volledige beschrijving van de koppelingstoestanden in zowel op ijzer gebaseerde als zware-fermion-supergeleiders te ontwikkelen.

"Terwijl Emil en ik meer praatten, we realiseerden ons dat het periodiek systeem voor supergeleidende koppeling onvolledig was, "Si zei, verwijzend naar de kaart die fysici gebruiken om supergeleidende paringstoestanden te organiseren.

"We gebruiken symmetrieën, zoals rooster- of spin-arrangementen, of dat tijd vooruit versus achteruit gelijk is, wat tijdomkeringssymmetrie is - om mogelijke koppelingstoestanden te organiseren, " zei hij. "Onze onthulling was dat d+id in de bestaande lijst te vinden is. U kunt het periodiek systeem gebruiken om het te construeren. Maar d+d, jij kan niet. Het is voorbij het periodiek systeem, omdat de tabel geen orbitalen bevat."

Si zei dat orbitalen belangrijk zijn voor het beschrijven van het gedrag van materialen zoals op ijzer gebaseerde supergeleiders en zware fermionen, waar "zeer sterke elektron-elektroncorrelaties een cruciale rol spelen."

"Op basis van ons werk, de tabel moet worden uitgebreid met orbitale indices, ' zei Si.