磁性帮助电子在高温超导体中消失

材料之友 2022-03-11

超导体临界点电子

1283 字丨阅读本文需 3 分钟

磁性帮助电子在高温超导体中消失作者:康奈尔大学 的凯特布莱克伍德Nature Physics (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01514-1" style="box-sizing: border-box;">自然物理学(2022 年)。 DOI: 10.1038/s41567-022-01514-1" width="670" height="450" style="box-sizing: border-box; vertical-align: middle; border-style: none; max-width: 100%; user-select: none; position: relative; transition: opacity 0.3s ease-in-out 0s;">左侧的费米面显示了“临界点”之前氧化铜高温超导体中电子的排列。在临界点之后,右侧的费米面显示大部分电子消失了。Brad Ramshaw 实验室的研究将这种消失与磁性联系起来。学分:自然物理学(2022)。DOI: 10.1038/s41567-022-01514-1物理学家布拉德·拉姆肖(Brad Ramshaw)表示,超导体——一种电流在其中流动而没有阻力的金属——有望成为不久的将来的决定性材料,并且已经被用于医学成像机器、药物发现研究和谷歌和 IBM 正在建造的量子计算机中。然而,传统超导体需要发挥作用的超低温——比绝对零高几度——使得它们对于广泛使用来说过于昂贵。

在寻找更有用的超导体的过程中,文理学院 (A&S) 的 Dick & Dale Reis Johnson 物理助理教授 Ramshaw 及其同事发现,磁性是理解“高”中电子行为的关键。温度”超导体。凭借这一发现,他们解开了围绕这类超导体的 30 年之谜,这种超导体在更高的温度下工作,比绝对零高 100 度以上。他们的论文“铜酸盐超导体赝多隙临界点的费米表面变换”于3 月 10 日发表在《自然物理学》上。

“我们想了解是什么让这些高温超导体起作用,并将这种特性设计成其他一些更容易在技术中采用的材料,”拉姆肖说。

Ramshaw 说,高温超导体的一个核心谜团是它们的电子会发生什么。

“所有金属都有电子,当金属变成超导体时,电子会相互配对,”他说。“我们测量了一种叫做‘费米面’的东西,你可以把它想象成一张显示所有电子在金属中的位置的地图。”

为了研究电子如何在高温超导体中配对,研究人员通过一种称为化学掺杂的过程不断改变电子的数量。Ramshaw 说,在高温超导体中,在某个“临界点”,电子似乎从费米表面图中消失了。

研究人员将注意力集中在这个关键点上,以弄清楚是什么让电子消失了,以及它们去了哪里。他们使用世界上最强的稳态磁体,佛罗里达州塔拉哈西国家高磁场实验室的 45 特斯拉混合磁体来测量氧化铜高温超导体的费米表面与电子浓度的关系,就在临界点附近。他们发现,当研究人员拨过临界点时,费米表面会完全改变。

“就好像你在看一张真实的地图,突然间大部分大陆都消失了,”拉姆肖说。“这就是我们发现的高温超导体费米表面在临界点发生的情况——特定区域的大部分电子,地图的特定部分,消失了。”

Ramshaw 说,研究人员不仅要注意电子正在消失,而且要特别注意哪些电子正在消失,这一点很重要。

他们基于多种理论建立了不同的模拟模型,并测试了它们是否可以解释数据,物理学博士生、该论文的第一作者 Yawen Fang 说。

“最后,我们有了一个成功的模型,那就是与磁性相关的模型,”方说。“我们正自信地从材料的广为人知的一面,对我们的技术进行基准测试,进入超过临界点的神秘面。”

现在他们知道哪些电子消失了,研究人员知道了原因——这与磁性有关。

“一直有迹象表明,高温超导体中的磁性和超导性是相关的,我们的工作表明,这种磁性似乎恰好出现在临界点并吞噬了大部分电子,”拉姆肖说。“这个临界点也标志着在最高温度下发生超导性的电子浓度,而高温超导体是这里的目标。”

Ramshaw 说,知道临界点与磁性有关,可以深入了解为什么这些特殊的超导体具有如此高的转变温度,甚至可以在哪里寻找具有更高转变温度的新超导体。

“这是在我们的研究之前进行了 30 年的辩论,我们想出了一个直截了当的答案,”康奈尔大学卡夫利纳米科学研究所的博士后研究员和共同第一作者 Gaël Grissonnanche 说。

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