İki küre, sıralı bir manyetik dönüş dizisindeki (pergellerle gösterilen) delikleri temsil eder. Bu manyetik ortam nedeniyle, delik katkı maddeleri çiftler halinde bağlanır. Kredi: Christoph Hohmann, Münih Kuantum Bilimi ve Teknolojisi Merkezi
ETH Zürih’ten fizikçi Eugene Demler’in de aralarında bulunduğu bir bilim insanı ekibi, manyetik korelasyonların nasıl bir rol oynadığını ilk kez yakından gözlemledi. aracı delik eşleştirmede.
Süper iletkenlik yalnızca çiftler halinde oluşur. Bu nedenle, belirli malzemelerde elektrik direnci olmadan iletkenliğin gerçekleşmesi için yük taşıyıcıların eşleşmesi gerekir. Geleneksel süperiletkenlerde, akım elektronlardan oluşur ve çiftleşme, fononlar olarak anılan kristal kafesin kollektif hareketleri tarafından kolaylaştırılır. Bu mekanizma iyi anlaşılmıştır. Bununla birlikte, son yıllarda, bu geleneksel teorik çerçeveye uymayan, giderek artan sayıda malzeme bulundu.
Geleneksel olmayan süperiletkenlere yönelik önde gelen teoriler, bu süperiletkenlerde fononların değil, manyetik dalgalanmaların yol açtığını öne sürüyor. ve şaşırtıcı bir şekilde, manyetik etkileşimler, elektronlar arasındaki itici Coulomb etkileşiminden kaynaklanır. Ancak bu modelleri deneylerde doğrulamak son derece zordur.
Garching’deki Max Planck Kuantum Optik Enstitüsü’nde Sarah Hirthe, Prof. Immanuel Bloch ve Dr. Timon Hilker liderliğindeki bilim adamlarından oluşan bir ekip olarak heyecan buradan kaynaklanır. (Almanya), Harvard Üniversitesi’nden (ABD) Dr. Annabelle Bohrdt, Münih Ludwig Maximilian Üniversitesi’nden (Almanya) Prof. Fabian Grusdt ve ETH Zürih’te (İsviçre) Fizik Bölümünden Prof. bu teorilerin merkezi tahminlerini doğrulayın. Nature’da yazarak, sentetik bir kristalde deliklerin – özünde fermiyonlarla dolu bir kafesteki boş bölgelerin – manyetik korelasyonların aracılık ettiği çiftler oluşturabileceğini gösteriyorlar.
Heyecan verici fizik için eşleştirme
{ 6}Ekibin oluşturduğu sentetik kristal, kesişen lazer ışınlarının oluşturduğu karmaşık optik yapılarda hapsolmuş atomlardan oluşuyor. Bu tür kristallerde, sistemin özelliklerini ve davranışını tanımlayan temel parametreler, gerçek malzemelerde tipik olarak ulaşılamayan bir hassasiyet ve esneklik derecesi ile kontrol edilebilir. Ayrıca, Garching’deki kurulumda, tek tek atomlar diğer atomlarla etkileşimlerini incelerken izlenebiliyor ve böylece eldeki çok-cisimli kuantum sistemi hakkında mikroskobik içgörü sağlanıyor.
Mevcut deneyler için bu yetenekler, Deneyler, fermiyonların birbirini ittiği ve eşleşmeyi enerjik olarak elverişsiz hale getirdiği bir sistemle başladığı için, ilk başta fiziksel olmayan görünen manyetik aracılı bir eşleşme için bir model sistemi gerçekleştirmek üzere kullanıldı. Yine de, 1986’da keşfedilen geleneksel olmayan süper iletkenlerin birinci sınıfı olan kupratlar gibi sistemlerde, aralarındaki itici etkileşimlere rağmen elektronlar sonunda eşleşir. Modeller ve gözlemler arasındaki bu boşluk nasıl kapatılabilir? Dahası, bu eşleştirme, deneylerde gözlemlenebilecek kadar nasıl yeterince güçlü hale getirilebilir?
Önemli nokta, Grusdt ve Demler’in (o zamanlar Harvard’daydı) 2018’de meslektaşlarıyla birlikte ortaya koyduğu bir yaklaşımdır. İtici etkileşimlere sahip bir fermiyon modelini, güçlü bir eşleşme ortaya çıkacak şekilde değiştirmenin akıllı yolları olduğunu gösterdiler. Yaklaşımlarını karma boyutlu (mixD) t-J modeli olarak adlandırdılar ve çalışmaları 1990’ların başlarına kadar uzanan çalışmaları genişlettiler. manyetik aracılı eşleştirme keşfetmek için. mixD modelinin temel özelliği, fermiyonların yalnızca bir yönde hareket ederken iki yönde etkileşime girebilmesidir.
Teorik soyutlamadan deneysel bir oyun alanına
Sentetik oluşturmada dikkate değer deneysel esneklik atomik kuantum gazlarına ve ışık alanlarına dayalı kristaller, mixD sistemleri için tahmin edildiği gibi, itici etkileşimlerden kaynaklanan bu tür bağlanmanın ilk kez gösterilmesini sağladı. Sistemin ayarlanabilirliği sayesinde fizikçiler ayrıca mixD durumunu, delikler arasındaki itici etkileşimlerin sıkıca bağlı çift durumlarının ortaya çıkmasını önlediği standart senaryo ile doğrudan karşılaştırabildiler.
Cesaret verici sonuçlardan biri Bohrdt tarafından Harvard’da gerçekleştirilen sayısal simülasyonlarla desteklenen bu karşılaştırmanın en önemli yanı, bağlanma enerjisinin bir büyüklük sırası kadar artırılabileceğidir. Bu enerji ölçeği, sistemin hala süperiletken olduğu maksimum ılıman sıcaklığı da belirlediği için bu önemlidir. Ek olarak, deneyler, bağlı delik çiftlerinin önemli ölçüde hareketli olduğunu öne sürüyor, bu da onların gerçekten verimli akım taşıyıcıları olabilecekleri anlamına geliyor.
Bunlar, daha fazla keşif için geniş bir oyun alanı açan ilham verici bulgular. Bir yandan, şimdiye kadar araştırılan sistemler boyut olarak hala nispeten küçüktür ve daha büyük sistemler daha ayrıntılı çalışmalara izin vererek, geleneksel olmayan süperiletkenliğin altında yatan mekanizmalara benzersiz mikroskobik içgörü sağlamalıdır. Öte yandan, sentetik sistemleri inceleyerek elde edilen bilgiler katı hal malzemelerine uygulanabilir ve gelecekte süper iletkenler için daha yüksek kritik sıcaklıklara yönelik yeni yaklaşımlar için bilgi sağlayabilir.
Referans: “Fermiyonikte manyetik olarak aracılı delik eşleştirme Ladders of ultracold atoms” yazan Sarah Hirthe, Thomas Chalopin, Dominik Bourgund, Petar Bojović, Annabelle Bohrdt, Eugene Demler, Fabian Grusdt, Immanuel Bloch ve Timon A. Hilker, 18 Ocak 2023, Nature.
DOI: 10.1038 /s41586-022-05437-y
Çalışma, Avrupa Araştırma Konseyi, Max Planck Topluluğu, Max Planck Harvard Kuantum Optik Araştırma Merkezi, Almanya Federal Eğitim ve Araştırma Bakanlığı tarafından finanse edilmiştir. , Mükemmellik Stratejisi Almanya, Alexander von Humboldt-Stiftung, Avrupa Araştırma Konseyi, Ulusal Bilim Vakfı, Ordu Araştırma Ofisi ve Hava Kuvvetleri Bilimsel Araştırma Ofisi.