Faseovergangen in verschillende toestanden van materie, zoals de condensatie van gassen in vloeistoffen of de overgang van een normaal metaal naar een supergeleidende toestand, kunnen worden beschreven met behulp van de symmetriebrekende theorie van Ginzburg-Landau. Een dergelijke theorie is echter niet langer geldig voor faseovergangen in de tweedimensionale limiet.

Tweedimensionale faseovergangen worden aangedreven door topologische defecten die bekend staan ​​als Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT) faseovergangen (Kosterlitz en Thouless ontvingen in 2016 de Nobelprijs voor de Natuurkunde voor deze ontdekking). Topologische defecten in supergeleidende systemen worden wervels genoemd. Voor een oneindig groot tweedimensionaal supergeleidend systeem bij lage temperatuur zijn vortex-antivortex-paren met tegengestelde vorticiteit aan elkaar gebonden en bevindt het systeem zich in een stabiele supergeleidende toestand.

Naarmate de temperatuur stijgt, worden de vortex-antivortex-paren onstabiel als gevolg van thermische fluctuaties, en wordt de aantrekkingskracht tussen vortex en antivortex binnen de paren geleidelijk zwakker totdat ze zich scheiden in vrije wervels en antivortexen. Dit proces leidt tot de BKT-faseovergang.

Het kenmerkende kenmerk van deze overgang is een sprong in de superfluïde dichtheid bij de overgangstemperatuur. De karakteristieke grootte van wervels in de tweedimensionale limiet is echter aanzienlijk groter dan die in de driedimensionale ruimte. Wanneer de monstergrootte de karakteristieke grootte van de wervels nadert (of wanneer het monster inhomogeniteiten vertoont), zal het de sprong in de superfluïde dichtheid uitsmeren. Dit maakt het zeer uitdagend om de BKT-faseovergang in tweedimensionale supergeleiders in realistische monsters te bepalen.

Cuprate supergeleiders voor hoge temperaturen, zoals Bi₂ Sr₂ CaCu₂ O_8+δ (Bi2212), met een gelaagde structuur, zijn uitgebreid bestudeerd als onconventionele supergeleiders. Het verband tussen ladingscorrelaties en supergeleiding in deze materialen blijft een grote puzzel in de fysica van de gecondenseerde materie. Monolayer Bi2212 werd onlangs met succes vervaardigd. Maar conventionele meettechnieken hebben geen enkel teken van de BKT-faseovergang van deze tweedimensionale supergeleider gedetecteerd.

In plaats daarvan vertoont de monolaag kenmerken die sterk lijken op die van de bulkmaterialen, waaronder overgangstemperatuur, pseudo-gap, ladingsdichtheidsgolf, enzovoort. Dit maakt de relatie tussen supergeleidende faseovergangen en ladingscorrelatie in dit systeem nog onduidelijker.

Daarom zijn de zoektocht naar bewijs voor de BKT-faseovergang in monolaag Bi2212 en de verduidelijking van de verschillen en verbindingen tussen supergeleidende faseovergangen over de dimensionaliteit belangrijk voor het begrijpen van dit materiaal.

De afdeling Natuurkunde van de Fudan Universiteit heeft, in samenwerking met de onderzoeksteams onder leiding van de professoren Yihua Wang, Yuanbo Zhang en Yang Qi, scanning SQUID-microscopie gebruikt om de lokale magnetische respons van Bi2212 van monolagen naar dikke lagen via de supergeleidende fase-overgang te onderzoeken. In monolagen verschijnt een positieve paramagnetische piek in de magnetisatie binnen het temperatuurbereik onder de kritische temperatuur, en de piekpositie oscilleert terwijl de magnetische flux door het monster gaat in eenheden van het fluxkwantum.

Dit fenomeen, bekend als het paramagnetische Meissner-effect, treedt op in de supergeleidende toestand die het Meissner-effect vertoont. Bovendien ontdekten ze dat de breedte van de paramagnetische piek toeneemt met de temperatuur, en blijft bestaan ​​tot de overgangstemperatuur. Deze kenmerken duiden op een stabiele fasecoherentie in het kritieke gebied en een geleidelijk toenemend plasma-screeningseffect als gevolg van de scheiding van vortex-antivortex-paren, consistent met de Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT) faseovergang geïnduceerd door vortex-excitaties.

Het verschijnen van paramagnetische gevoeligheidspieken in meerlaags en diklaags Bi2212 suggereert dat de supergeleidende overgang van ondergedoteerd Bi2212 een gegeneraliseerde BKT-overgang is met tussenlaagkoppeling. Dit resultaat identificeert niet alleen een belangrijk magnetisch kenmerk van de BKT-overgang in eindige systemen, maar verduidelijkt ook de homologe relatie tussen de supergeleidende overgangen van monolaag en bulk Bi2212, en biedt aanwijzingen voor het begrijpen van de pseudo-gap in het ondergedoteerde gebied van cuprate-supergeleiders.

Dit werk is gepubliceerd in de National Science Review onder de titel "Oscillerend paramagnetisch Meissner-effect en Berezinskii-Kosterlitz-Thouless-overgang in ondergedoteerd Bi₂ Sr₂ CaCu₂ O_8+δ ".