Раскрытие тайны нетрадиционной сверхпроводимости: прорывной эксперимент

Группа ученых, в том числе физик Ойген Даймлер из ETH Zurich, впервые внимательно наблюдала за тем, как магнитные отношения играют роль в создании пар дырок.

Сверхпроводимость возникает только парами. Следовательно, чтобы в некоторых материалах проводилось без электрического сопротивления, носители заряда должны соединяться. В обычных сверхпроводниках ток состоит из электронов, а взаимодействию способствуют коллективные движения кристаллической решетки, называемые фононами. Этот механизм хорошо изучен. Однако в последние десятилетия обнаруживается все больше материалов, не укладывающихся в эти традиционные теоретические рамки.

Ведущие теории нетрадиционных сверхпроводников предполагают, что магнитные флуктуации, а не фононы, вызывают связи в этих системах — как ни удивительно, магнитные взаимодействия возникают из-за отталкивающего кулоновского взаимодействия между электронами. Однако проверить эти модели в экспериментах очень сложно.

Отсюда волнение группы ученых во главе с Сарой Хирт, профессором Эмануэлем Блохом, доктором Тимоном Хилкером из Института квантовой оптики Макса Планка в Гархинге (Германия), доктором Аннабель Бурдт из Гарвардского университета (США), профессором Ф. Фабиан Гросдт из Университета Людвига-Максимилиана в Мюнхене (Германия) и профессор Ойген Даймлер с факультета физики Швейцарской высшей технической школы Цюриха сообщают об экспериментах, подтверждающих основные предсказания этих теорий. Письмо природаони показали, что в искусственном кристалле так называемые дырки — практически пустые места в решетке, заполненной фермионами, — могут образовывать пары, опосредованные магнитными отношениями.

Сопряжение для захватывающей физики

Искусственный кристалл, созданный командой, состоит из атомов, пойманных в сложные оптические структуры, образованные пересечением лазерных лучей. В таких кристаллах можно управлять ключевыми параметрами, определяющими свойства и поведение системы, с точностью и гибкостью, которые обычно недостижимы для реальных материалов. Кроме того, в установке Гархинга можно отслеживать отдельные атомы, а также исследовать их взаимодействия с другими атомами, таким образом предлагая микроскопическое представление о многочастичной квантовой системе.

В текущих экспериментах эти возможности были использованы для создания модельной системы магнитно-опосредованной связи, которая на первый взгляд кажется несущественной.Эксперименты начинаются с системы, в которой фермионы отталкиваются друг от друга, что делает связь энергетически невыгодной. Однако в таких системах, как купраты — первый класс нетрадиционных сверхпроводников, открытый в 1986 году, — электроны в конечном итоге спариваются, несмотря на отталкивающие взаимодействия между ними. Как можно преодолеть этот разрыв между моделями и обратной связью? И более того, как сделать эту связь достаточно сильной, чтобы ее можно было наблюдать на опыте?

Ключевым моментом является подход, который Грудт и Демлер (тогда работавший в Гарвардском университете) представили со своими коллегами в 2018 году. Они показали, что существуют умные способы модифицировать модель фермионов с помощью отталкивающих взаимодействий, таких как появление сильной связи. Они назвали свой подход смешанной моделью (mixD)tJ tJ, расширив работу, которая началась в начале 1990-х годов, когда несколько исследователей, в том числе группа Морриса Райса из ETH Zurich, сформулировали так называемые лестничные модели t–J для исследования магнитных полей. опосредованное сцепление. Основное преимущество модели mixD состоит в том, что фермионы могут взаимодействовать в двух направлениях, тогда как двигаться они могут только в одном направлении.

От теоретической абстракции к экспериментальной площадке

Наблюдаемая экспериментальная гибкость в формировании искусственных кристаллов на основе атомарных квантовых газов и световых полей позволила впервые продемонстрировать такую ​​корреляцию, возникающую из-за отталкивающих взаимодействий, как и ожидалось для систем mixD. Из-за настраиваемости системы физики также смогли напрямую сравнить состояние mixD со стандартным сценарием, в котором отталкивающие взаимодействия между дырками предотвращают появление сильно связанных парных состояний.

Один обнадеживающий результат этого сравнения, подтвержденный численным моделированием, проведенным Бордтом из Гарварда, заключается в том, что энергия связи может быть увеличена на один порядок. Это важно, поскольку эта шкала энергий также определяет умеренный максимум, при котором система остается сверхпроводящей. Кроме того, эксперименты указывают на значительную подвижность пар связанных дырок, что означает, что они действительно могут быть эффективными носителями тока.

Это вдохновляющие результаты, которые открывают широкие возможности для дальнейших исследований. С другой стороны, исследованные до сих пор системы все еще относительно малы по размеру, а более крупные системы должны позволять проводить более подробные исследования, что, в свою очередь, обеспечивает уникальное микроскопическое понимание механизмов, лежащих в основе нетрадиционной сверхпроводимости. С другой стороны, знания, полученные в результате изучения композиционных систем, могут быть применены к твердотельным материалам и в будущем могут дать информацию о новых подходах к более высоким критическим температурам для сверхпроводников.

Ссылка: «Магнитно-опосредованные пары дырок в фермионных лестницах ультрахолодных атомов» Сары Хирт, Томаса Шалопина, Доминика Бургунда, Питера Боговича, Аннабель Бордт, Ойгена Даймлера, Фабиана Гросдта, Эммануэля Блоха и Тимона А. Хилкера, 18 января 2023 г. , Доступна здесь. природа.
DOI: 10.1038/s41586-022-05437-y

Исследование финансировалось Европейским исследовательским советом, Обществом Макса Планка, Гарвардским исследовательским центром Макса Планка по квантовой оптике, Федеральным министерством образования и исследований Германии, German Excellence Strategy, Фондом Александра фон Гумбольдта, Европейским исследовательским советом, Национальный научный фонд, Управление научных исследований армии и Управление научных исследований ВВС.