In de afgelopen jaren hebben veel natuurkundigen en materiaalwetenschappers supergeleiding onderzocht, de volledige verdwijning van elektrische weerstand die wordt waargenomen in sommige vaste materialen. Supergeleiding is tot nu toe voornamelijk waargenomen in materialen die worden gekoeld tot zeer lage temperaturen, meestal onder de 20 K.

Sommige materialen vertonen echter supergeleiding bij hoge temperaturen, boven 77 K. Van veel van deze materialen, ook wel bekend als supergeleiders voor hoge temperaturen, is bekend dat ze antiferromagneten zijn.

Een aspect van supergeleiding bij hoge temperatuur dat natuurkundigen hebben geprobeerd beter te begrijpen, is de vorming van paren van mobiele doteermiddelen in antiferromagneten, die is waargenomen in antiferromagneet supergeleiders bij hoge temperatuur. Ondanks uitgebreide studies op dit gebied, is het microscopische koppelingsmechanisme dat aan deze sterk gecorreleerde systemen ten grondslag ligt, nog niet universeel gedefinieerd.

Onderzoekers van het Munich Center for Quantum Science and Technology (MCQST), Ludwig Maximilan University of München, ETH Zürich en Harvard University hebben onlangs een hoge-temperatuurkoppeling van mobiele ladingsdragers onthuld in gedoteerde antiferromagnetische Mott-isolatoren. Hun paper, gepubliceerd in Nature Physics , zou nieuw licht kunnen werpen op de vorming van mobiele doteerparen in antiferromagneten.

"Omdat we het probleem van de enkelvoudige dotering eerder in detail hadden bestudeerd, was de volgende logische stap om gatenparen te bestuderen," vertelde Fabian Grusdt, een van de onderzoekers die het onderzoek uitvoerde, aan Phys.org. "Dus een paar jaar geleden begonnen we enkele van onze eerdere resultaten te generaliseren naar het geval van twee doteringen en vonden we de eerste analytische inzichten in het sterke koppelingsmechanisme dat gaten aan elkaar kan binden. We realiseerden ons echter snel dat de wederzijdse uitsluitingseigenschap van twee gaten in instellingen met één laag is een belangrijk obstakel voor het koppelen."

Tijdens het uitvoeren van hun studies realiseerden Grusdt en zijn collega's zich uiteindelijk dat dubbellaagse materialen ideale platforms zouden kunnen zijn om de vorming en koppeling van ladingsdragers te onderzoeken, omdat in deze materialen het op strings gebaseerde koppelingsmechanisme dat ze hebben waargenomen zich op zijn volle sterkte kan ontwikkelen. Vanwege hun eigenschappen en experimentele relevantie besloot het team deze materialen te bestuderen.

"We realiseerden ons snel dat het door ons voorspelde koppelingsmechanisme zou leiden tot aanzienlijk verbeterde bindingsenergieën en daarom direct toegankelijk zou zijn voor de huidige ultrakoude atoomsystemen," zei Grusdt. "Toen we het nieuwe mechanisme eenmaal begrepen, maakten de conceptuele schoonheid en eenvoud ons een tijdje zorgen dat concurrerende groepen misschien al soortgelijke benaderingen nastreven, maar uiteindelijk werd ons enthousiaste werk beloond."

Het nieuwe mechanisme dat door Grusdt en zijn collega's is onthuld, vindt eerst plaats in een conceptueel eenvoudiger regime, dat bekend staat als het "strakke bindende" regime. Het belangrijkste idee achter dit mechanisme is dat twee gepaarde ladingen alleen de energie "betalen" die nodig is om één, in plaats van twee, antiferromagnetische bindingen te verbreken.

Door ladingen van twee verschillende lagen van het materiaal te koppelen in de gemengde dimensionale setting die door de onderzoekers wordt gebruikt, kan de kinetische energie van de ladingen, die typisch alle energieschalen domineert, worden onderdrukt. Aan de andere kant, in het conceptueel meer complexe "sterke-koppelingsregime", is de "lijm" die nodig is om twee ladingen te koppelen, afgeleid van een reeks verplaatste antiferromagnetische bindingen.

"Het maken van deze snaar kost aanzienlijke magnetische energie, maar over het algemeen krijgen de ladingen voldoende kinetische energie door elkaars paden te volgen", legt Grusdt uit. "Om het duidelijk te stellen:de mobiele doteermiddelen kunnen in een sterk gecorreleerd concert bewegen en voldoende delokaliseren om zelfs een grote potentiële energiebarrière te domineren en ze proberen te ontbinden. In feite hebben we een ingewikkeld samenspel van kinetische en magnetische energieschalen onthuld, wat uiteindelijk mogelijk maakt een binding van energieën die systematisch de realiseerbare in het strakke bindende regime overtreffen."

Het recente werk van Grusdt en zijn collega's onthult een opmerkelijk sterk koppelingsmechanisme dat analytisch hanteerbaar is in een breed scala aan parameters. Dit is een bijzonder opmerkelijke prestatie, aangezien studies op dit gebied van de natuurkunde doorgaans afhankelijk zijn van rekenkundig zware numerieke simulaties.

"Op de korte termijn is de belangrijkste implicatie van ons werk waarschijnlijk de experimentele haalbaarheid van onze aanpak, die zeer recent heeft geleid tot de lang gezochte experimentele observatie van paren in een Hubbard-achtig systeem van ultrakoude atomen," voegde Grusdt eraan toe. "Op de lange termijn zijn we van mening dat onze aanpak mogelijk het ontwerp van nieuwe materialen met aanzienlijk verbeterde supergeleidende temperaturen kan motiveren."

In de toekomst zou het onderzoek van Grusdt en zijn collega's en het mechanisme dat ze onthulden de weg kunnen effenen voor het ontwerp en de fabricage van materialen die supergeleiding vertonen bij aanzienlijk hogere temperaturen. Bovendien zou het kunnen helpen om het huidige begrip van het koppelingsmechanisme dat ten grondslag ligt aan supergeleiding bij hoge temperaturen te verbeteren.

"We zijn nu van plan om onze recente resultaten te gebruiken als een startpunt voor verder onderzoek naar het paren van gaten in sterk gecorreleerde kwantumsystemen", voegde Grusdt eraan toe. "We willen bijvoorbeeld extra fonon-dressing overwegen om erachter te komen of het de bindingsenergieën zou verbeteren of verminderen."

In hun volgende onderzoeken zijn de onderzoekers ook van plan om de excitatiespectra van gepaarde ladingen dieper te bestuderen, om te bepalen hoe relevant hun resultaten zijn voor de koppelingsmechanismen die worden beschreven door het Fermi-Hubbard-model van gewone vanille. Daarnaast willen ze onderzoeken of zich nog meer exotische structuren van mobiele ladingen en strings kunnen vormen in sterker gefrustreerde regimes van het fasediagram. + Verder verkennen

Band crossover en magnetisch fasediagram van supergeleidende Ba2CuO4-δ

© 2022 Science X Network