Забележително силно сдвояване на носители на заряд в двуслойни антиферомагнитни Mott изолатори


Забележително силно сдвояване на носители на заряд в двуслойни антиферомагнитни Mott изолатори

Сдвояване или не сдвояване: Свързаното състояние, съставено от два мобилни заряда без завъртане (вляво), побеждава срещу независими двойки въртене-заряд (вдясно) в тяхната конкуренция за най-ниска енергия. Кредит: Bohrdt et al.

През последните няколко години много физици и учени по материали са изследвали свръхпроводимостта, пълното изчезване на електрическото съпротивление, наблюдавано в някои твърди материали. Свръхпроводимостта досега се наблюдава предимно в материали, които са охладени до много ниски температури, обикновено под 20 K.

Някои материали обаче проявяват свръхпроводимост при високи температури, над 77 К. Известно е, че много от тези материали, известни също като високотемпературни свръхпроводници, са антиферомагнети.

Аспект на високотемпературната свръхпроводимост, който физиците се опитват да разберат по-добре, е образуването на двойки подвижни добавки в антиферомагнитите, което се наблюдава в антиферомагнитните високотемпературни свръхпроводници. Въпреки обширните проучвания в тази област, микроскопичният механизъм за сдвояване, който е в основата на тези силно корелирани системи, все още не е универсално дефиниран.

Изследователи от Мюнхенския център за квантова наука и технологии (MCQST), Мюнхенския университет Ludwig Maximilan, ETH Zürich и Harvard University наскоро разкриха високотемпературно сдвояване на мобилни носители на заряд в легирани антиферомагнитни изолатори Mott. Техният документ, публикуван в Физика на природатаможе да хвърли нова светлина върху образуването на мобилни двойки добавки в антиферомагнитите.

„Тъй като преди това изучавахме проблема с единична добавка, следващата логична стъпка беше да проучим двойки дупки“, каза пред Phys.org Фабиан Грудт, един от изследователите, извършили изследването. „Така че преди няколко години започнахме да обобщаваме някои от нашите по-ранни резултати за случая с две добавки и намерихме първите аналитични прозрения за силния механизъм за сдвояване, който може да свързва дупки заедно. Въпреки това бързо осъзнахме, че свойството за взаимно изключване на две дупки в настройките на монослоеве са значителна пречка за сдвояването.”

Докато провеждаха своите проучвания, Grusdt и колегите му в крайна сметка осъзнаха, че двуслойните материали могат да бъдат идеални платформи за изследване на образуването и сдвояването на носители на заряд, тъй като в тези материали наблюдаваният от тях механизъм за сдвояване на струни може да се развие с пълна сила. Поради техните свойства и експериментална значимост, екипът реши да проучи тези материали.

„Ние бързо разбрахме, че механизмът за сдвояване, който прогнозирахме, ще доведе до значително подобрени енергии на свързване и следователно ще бъде директно достъпен за настоящите ултрастудени атомни системи“, каза Грудт. „След като разбрахме новия механизъм, неговата концептуална красота и простота ни накараха да се тревожим за известно време, че конкуриращите се групи може вече да следват подобни подходи, но в крайна сметка нашата ентусиазирана работа беше възнаградена.

Забележително силно сдвояване на носители на заряд в двуслойни антиферомагнитни Mott изолатори

Базирано на струни сдвояване на мобилни заряди в двуслоен антиферомагнит: Заредените дупки, движещи се в противоположни слоеве на квантов парамагнет, създават низ от изместена антиферомагнитна връзка. Придвижвайки се в силно корелиран концерт, зарядите използват оптимално своята кинетична енергия, което в крайна сметка води до мощен механизъм за сдвояване, който може да бъде експериментално реализиран при изненадващо високи температури. Кредит: Bohrdt et al.

Новият механизъм, разкрит от Grusdt и неговите колеги, се появява първо в концептуално по-опростен режим, известен като режим на “строго обвързване”. Основната идея зад този механизъм е, че две сдвоени такса “плащат” само енергия необходимо за разрушаване на една, а не на две антиферомагнитни връзки.

Чрез сдвояване на заряди от два различни слоя на материала в смесените измерения, използвани от изследователите, кинетичната енергия на зарядите, която обикновено доминира във всички енергийни скали, може да бъде потисната. От друга страна, в концептуално по-сложния „режим на силно свързване“, „лепилото“, необходимо за сдвояване на два заряда, произлиза от поредица от изместени антиферомагнитни връзки.

„Създаването на тази струна струва значителна магнитна енергия, но като цяло зарядите получават достатъчно кинетична енергия, като следват пътя един на друг“, обясни Грудт. „За да го кажем ясно: мобилните добавки могат да се движат в силно свързан концерт и да се делокализират достатъчно, за да доминират дори над голяма потенциална енергийна бариера, опитвайки се да ги развърже. На практика ние разкрихме сложно взаимодействие на кинетични и магнитни енергийни скали, което в крайна сметка позволява свързване на енергии, които систематично надвишават тези, които могат да се реализират в режима на тясно обвързване.”

Последната работа на Grusdt и неговите колеги разкрива забележително силен механизъм за сдвояване, който е аналитично издържан в широк диапазон от параметри. Това е особено забележително постижение, тъй като изследванията в тази област на физиката обикновено разчитат на изчислително тежки числени симулации.

„В краткосрочен план най-значимото следствие от нашата работа вероятно е експерименталната осъществимост на нашия подход, който съвсем наскоро доведе до дълго търсеното експериментално наблюдение на сдвояването в подобна на Хъбард система от ултрастудени атоми“, добави Грудт. “В дългосрочен план вярваме, че нашият подход може да мотивира проектирането на нови материали със значително повишени свръхпроводящи температури.”

В бъдеще проучването, проведено от Grusdt и неговите колеги, и механизмът, който те разкриха, биха могли да проправят пътя към проектирането и производството на материали, които проявяват свръхпроводимост при значително по-високи температури. В допълнение, това би могло да помогне за подобряване на настоящото разбиране на механизма на сдвояване, лежащ в основата на висока температура свръхпроводимост.

„Сега планираме да използваме последните си резултати като основа за по-нататъшни изследвания на сдвояването на дупки в силно корелирани квантови системи“, добави Грудт. “Например, ние искаме да обмислим допълнително фононно обличане, за да разберем дали ще подобри или намали свързващите енергии.”

В следващите си проучвания изследователите също планират да проучат по-задълбочено спектрите на възбуждане на сдвоени заряди, за да определят доколко техните резултати са подходящи за механизмите на сдвояване, описани от модела на Ферми-Хъбард с обикновена ванилия. В допълнение, те биха искали да проучат дали дори по-екзотични структури, съставени от мобилни заряди и струни, могат да се образуват в по-силно фрустрирани режими на фазовата диаграма.


Пресичане на лентата и магнитна фазова диаграма на свръхпроводящ Ba2CuO4-δ


Повече информация:
Annabelle Bohrdt et al, Силно сдвояване в двуслойни антиферомагнитни Mott изолатори със смесени измерения, Физика на природата (2022 г.). DOI: 10.1038 / s41567-022-01561-8

© 2022 Science X Network

Цитат: Изключително силно сдвояване на носители на заряд в двуслойни антиферомагнитни изолатори Mott (2022 г., 18 май), извлечено на 21 май 2022 г. от https://phys.org/news/2022-05-remarkably-strong-pairing-carriers-bilayer.html

Този документ е обект на авторско право. Освен всяка честна сделка с цел частно проучване или изследване, никоя част не може да бъде възпроизвеждана без писменото разрешение. Съдържанието е предоставено само за информационни цели.