In de gepaarde fermionsystemen, de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) superfluïditeit en Bose-Einstein condensatie (BEC) zijn twee uiterste grenzen van de grondtoestand. In een nieuw rapport in Wetenschap , Yuji Nakagawa en een team van wetenschappers in de toegepaste natuurkunde, kwantum elektronica, opkomende materiewetenschap en materiaalonderzoek in Japan, gerapporteerd crossover-gedrag van de BCS-limiet naar de BEC-limiet door de dragerdichtheid te variëren in een 2D-supergeleider met elektronen gedoteerd, gelaagd materiaal ZrNCl dat geïntercaleerd gelaagd nitride bevat. Het team liet zien hoe de verhouding van de supergeleidende overgangstemperatuur en Fermi-temperatuur in de lage dragerdichtheidslimiet consistent was met de theoretische bovengrens die wordt verwacht in het BCS-BEC-crossover-regime. De resultaten gaven aan hoe de gate-gedoteerde halfgeleider een ideaal platform bood voor de 2D BCS-BEC-crossover zonder extra complexiteit zoals die werd opgemerkt in andere solid-state systemen.

De BCS-BEC-crossover

Het fenomeen van fermionparing, en condensatie zijn fundamenteel voor een verscheidenheid aan systemen, waaronder neuronsterren tot supergeleiders en ultrakoude atomaire gassen. Twee beperkende gevallen voor fermioncondensatie worden beschreven door twee verschillende theorieën die bekend staan ​​als de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) theorie waarvoor natuurkundige John Bardeen et al. ontving in 1972 de Nobelprijs, en de Bose-Einstein-condensatie (BEC), ontwikkeld door natuurkundigen Satyendra Nath Bose en Albert Einstein in 1924. De BCS-theorie beschrijft de superfluïditeit in de limiet met zwakke koppeling of hoge dichtheid waar individuele fermionen direct condenseren tot een coherente toestand van fermionparen - een type condensatie die typisch wordt waargenomen in de supergeleiding van elektronen. Dit laatste gebeurde vaak tijdens de sterke koppeling, limiet voor lage dichtheid. Aanvankelijk, fermionparen gedragen zich als bosonen en ondergaan vervolgens de BEC tot de superfluïde toestand in een fenomeen dat wordt waargenomen in fermionische gassen. De twee limieten zijn continu met elkaar verbonden via een tussenregime dat bekend staat als de BCS-BEC-crossover.

Natuurkundigen gebruiken ultrakoude atomaire gassen en supergeleiders als gunstige experimentele instellingen om de BCS-BEC-crossover te observeren door de koppelingssterkte tussen de samenstellende fermionen op een quasi-continue manier te regelen. In ultrakoude atomaire gassen kan de koppelingssterkte sterk worden gemoduleerd met behulp van Feshbach-resonanties die vanaf de BEC-limiet over het crossover-regime strijken. Onderzoekers kunnen de dragerdichtheid en de koppelingssterkte regelen om het crossover-regime binnen te gaan vanaf de BCS-limiet binnen supergeleiders. Bij supergeleiders, de dimensieloze koppelingssterkte kan worden bepaald met behulp van de supergeleidende opening en Fermi-energie gemeten vanaf de onderkant van de geleidingsband. Naarmate de verhouding tussen de supergeleidende opening en de Fermi-energie toenam via verbeterde koppelingsinteracties of verminderde dragerdichtheid, het systeem kwam in het BCS-BEC-crossover-regime, vergezeld van verbeterde verhoudingen van supergeleidende kritische temperatuur en Fermi-temperatuur. Bijvoorbeeld, niobium (Nb) en aluminium (Al) bevinden zich diep binnen de BCS-limiet, terwijl meer exotische supergeleiders, waaronder op ijzer gebaseerde halfgeleiders, zich dicht bij het BCS-BEC-crossover-regime bevinden. De koppelingssterkten zijn echter niet hoog genoeg om de BEC-limiet buiten het crossover-regime te bereiken vanwege complexe activiteiten zoals een lage dragerdichtheid, sterke elektronencorrelatie-effecten en magnetische ordening die de verschijnselen vertroebelen. Als resultaat, natuurkundigen blijven de BCS-BEC-crossover duidelijk demonstreren tijdens de studie van supergeleiders. In dit werk, Nakagawa et al. bestudeerde de supergeleider Li _x ZrNCl - een lithium-geïntercaleerd gelaagd nitride om de verschijnselen te begrijpen.

Onderzoek naar de supergeleider

in de Li _x ZrNCl-supergeleider, lithium leverde elektronen aan de dubbele honingraat ZrN-laag, die een bandisolator vormde in afwezigheid van doping. Onderzoekers hadden eerder eenkristalmetingen van ongerept ZrNCl uitgevoerd met behulp van ionische poortmethoden. In het recente werk, Nakagawa et al. introduceerde een gewijzigde apparaatstructuur en merkte een dimensionale cross-over op van anisotrope driedimensionale (3D) naar 2D-supergeleiders door de dragerdichtheid te verlagen. In dit werk, het team gedetailleerd het supergeleidingsgedrag van Li _x ZrNCl in een nog lager dragerdichtheidsregime. De wetenschappers gebruikten een ionic-gating-apparaatstructuur en maakten smalle elektroden voor tunnelspectroscopie op het kanaalgebied tussen de source- en drain-elektroden en bedekten het apparaat met een poly (methylmethacrylaat) (PMMA) -resist. Tijdens poortspanning (V _G ) toepassingen, het team volgde het intercalatieproces door de bron-afvoerstroom te meten. De resistieve overgang in het sterk gedoteerde regime was scherp, terwijl het aanzienlijk verbreedde in het licht gedoteerde regime om een ​​dimensionale cross-over van anisotrope 3D naar 2D supergeleiders te vertegenwoordigen.

De dimensionale crossover

De 3D-naar 2D-dimensionale crossover van de supergeleider vond plaats vanwege een verminderde dragerdichtheid om daarom een ​​uniek en onverwacht fenomeen te vormen om de crossover mogelijk te maken. Het team schreef de functie toe aan de rhomboëdrische stapeling van ZrNCl-lagen, waar de eenheid drie lagen bevatte. Met behulp van dichtheidsfunctionaaltheorie berekeningen, ze bevestigden de experimentele resultaten. Tijdens het koelproces, de wetenschappers voerden tunnelspectroscopie uit, waarbij de afnemende dragerdichtheid overeenkwam met een sterkere koppeling. Nakagawa et al. besprak ook de pseudo-gaptoestanden in verschillende materialen en vergeleek ze met het huidige systeem. de Li _x ZrNCl-materiaal bood een eenvoudiger testbed omdat de bandisolator vrij was van elektronencorrelatie-effecten, magnetische orden en dichtheidsgolven. Het team schreef de pseudo-gaptoestand toe die werd waargenomen in Li _x ZrNCl tot voorgevormde paarvorming tijdens het BCS-BEC crossover-fenomeen. Vervolgens benadrukten ze een bulkstudie, waarbij NMR-metingen op polykristallijn Li _x ZrNCl-monsters vertoonden een pseudogap-toestand aan de hoge doteringszijde van de supergeleidende koepel.

Op deze manier, Yuji Nakagawa en collega's toonden 2D BCS-BEC-crossover door systematisch de koppelingssterkte van supergeleiders in Li af te stemmen _x ZrNCl-monsters. Het team realiseerde de 2D BCS-BEC-crossover vanwege de dimensionale cross-over van de anisotrope 3D naar 2D door de dragerdichtheid van de monsters te verminderen. Ze vergeleken deze crossover met arrays van 2D-wolken van Fermi-gassen, waarbij te dimensionaliteit werd beïnvloed door de koppelingssterkte. Aanvullende studies over het fenomeen zullen het begrip van de fermioncondensatiefysica helpen verbeteren.

© 2021 Science X Network