Квантовые материалы могут быть настроены на сверхпроводимость. Согласно исследованиям физиков и сотрудников Университета Райса, некоторые сверхпроводники на основе железа могут выиграть от настройки.

Райс Центр Квантовых Материалов — это междисциплинарная попытка укрепить лидерство Университета Райса в исследовании высокотемпературных сверхпроводников и других экзотических материалов. Фото: Университет Райса

«Наша работа демонстрирует новый принцип проектирования для настройки квантовых материалов для достижения нетрадиционной сверхпроводимости при более высоких температурах», — сказал Кимяо Си из Райса, ведущий физик-теоретик по исследованиям, которые исследуют необычные закономерности сверхпроводимости, о которых ранее сообщалось в селениде железа.

«Мы показываем, как нематичность, необычный электронный порядок, может повысить шансы на то, что сверхпроводимость возникнет из-за спаривания электронов на определенных орбиталях», — сказал Си, директор Райсового центра квантовых материалов (RCQM) и Harry C. и Olga K Wiess Профессор физики и астрономии. «Настройка материалов для усиления этого эффекта может способствовать сверхпроводимости при более высоких температурах».

Электрический ток нагревает проводку благодаря толчкам бесчисленных электронов, которые теряют энергию каждый раз, когда сталкиваются с чем-то. Около 6 процентов электроэнергии в энергосистемах США теряется из-за этого нагрева или электрического сопротивления каждый год. Напротив, электроны в сверхпроводниках образуют пары, которые текут без усилий, без сопротивления или нагрева.

Инженеры давно мечтали об использовании сверхпроводимости для энергоэффективных вычислений, электросетей и многого другого, но электроны являются печально известными одиночками, наиболее изученным членом квантового семейства, называемого фермионами. Фермионы настолько противны тому, чтобы делить пространство друг с другом, что, как известно, вместо этого они временно исчезают из существования. Из-за их причудливой квантовой природы, уговаривая электроны, чтобы сформировать пары, часто требуются экстремальные условия, такие как интенсивное давление или температуры, более холодные, чем в глубоком космосе.

Нетрадиционная сверхпроводимость, которая встречается в таких материалах, как селенид железа, отличается. По причинам, которые физики не могут полностью объяснить, электроны в нетрадиционных сверхпроводниках образуют пары при относительно высоких температурах. Поведение было задокументировано в десятках материалов за последние 40 лет. И хотя точный механизм остается загадкой, физики, такие как Си, научились предсказывать, как нестандартные сверхпроводники будут вести себя в некоторых ситуациях.

В новых исследованиях Si, аспирант Райс Хаою Ху и соавторы использовали теоретическую модель «орбитально-селективного спаривания», чтобы объяснить предыдущие экспериментальные результаты по селениду железа и предсказать, как он и другие материалы будут вести себя в других обстоятельствах. В состав группы входили Хаою Ху, аспирант Университета Райса, Ронг Ю из Университета Ренминь, Эмилиан Ника из Университета штата Аризона и Цзянь-Синь Чжу из Лос-Аламосской национальной лаборатории. В его модели электроны в некоторых атомных оболочках, более вероятно, сформируют пары, чем другие Си сказал, что один из способов визуализировать это — думать об атомных орбиталях, таких как полосы на автостраде.

«Автомобили едут с разной скоростью в разных полосах», — сказал он. «Мы ожидаем, что те, кто на левой полосе, будут двигаться быстрее, но это не всегда так. Когда на шоссе много машин, другие полосы могут двигаться быстрее. Электроны в нетрадиционных сверхпроводниках похожи на машины на переполненном шоссе. Они должны избегать друг друга и могут оказаться в одной полосе. Настройка электронного заказа — это способ подтолкнуть электроны на определенные орбитали, очень похожие на дорожные конусы и барьеры, которые направляют автомобили на определенные полосы».

Высокотемпературные сверхпроводники на основе железа были открыты в 2008 году, и Si и соавторы предложили одну из первых теорий, объясняющих их: охлаждение их вблизи квантовой критической точки вызывает явные эффекты коррелированных электронов, поведение, которое возникает и может быть понятым только при рассмотрении электронов как коллективной системы, а не множества отдельных объектов.

Новые статьи, опубликованные в Physical Review Letters (PRL) и Physical Review B (PRB), основаны на исследованиях Si, проведенных с Yu и Nica во время их обучения в докторантуре и аспирантуре в Rice. В 2013 году Si и Yu показали, что орбитально-селективное поведение может приводить к тому, что щелочные селениды железа одновременно демонстрируют противоречивые характеристики как металлов, так и изоляторов. В 2017 году Si, Nica и коллеги показали, что селениды железа могут иметь сверхпроводящее состояние, в котором электронные пары, связанные с одной орбиталью подоболочки, сильно отличаются от пар близких орбиталей в той же подоболочке.

«В настоящей работе мы показали, что нематический порядок резко увеличивает орбитальную селективность в нормальном состоянии при температурах выше температуры сверхпроводящего перехода», — сказал Yu. ведущий автор статьи PRL.

В нематических системах степень порядка в одном направлении выше, чем в другом. Например, в коробке с сырыми спагетти лапша выравнивается по длине, но неупорядоченно, если смотреть в перпендикулярном направлении.

Чтобы проанализировать природу сверхпроводимости в присутствии нематического электронного порядка, Yu, Si и коллеги проанализировали «сверхпроводящую щель», меру, которая сравнивает затраты энергии, связанные с разрывом электронных пар в нематическом направлении и перпендикулярном направлении. Их расчеты выявили большую разницу.

«Наши результаты дают естественное понимание очень поразительных результатов, о которых недавно сообщалось на основе кропотливых измерений сверхпроводящего зазора в селениде железа с помощью сканирующей туннельной микроскопии», — сказал Ху, ведущий автор статьи PRB.

По словам Си, работа «проливает свет на взаимодействие между орбитально-селективным спариванием и электронными порядками, которые, по-видимому, являются важными составляющими нетрадиционной сверхпроводимости как в сверхпроводниках на основе железа, так и в других сильно коррелированных квантовых материалах».

По материалам phys.org