Ученые обнаруживают удивительное квантовый эффект в экзотическом сверхпроводнике

Международная команда во главе с исследователями из Принстонского университета наблюдала удивительную квантовый эффект в высокотемпературных железосодержащих сверхпроводников.

Сверхпроводники проводят электрический ток без сопротивления, что делает их ценными для дальней передачи электроэнергии и многих других энергосберегающих приложений. Обычные сверхпроводники работают только при очень низких температурах, но некоторые материалы на основе железа обнаружен около десяти лет назад, может superconduct при относительно высоких температурах и привлекли внимание исследователей.

Точно, как сверхпроводимость форм в материалах на основе железа, остается загадкой, особенно с магнетизмом железный, казалось бы, конфликта с возникновением сверхпроводимости. Более глубокое понимание нетрадиционных материалов, таких как сверхпроводниках на основе железа, в конечном счете может привести к созданию новых приложений для нового поколения энергосберегающих технологий.

Ученые исследовали поведение железосодержащих сверхпроводников при появлении примеси, а именно атомы кобальта — добавляются, чтобы изучить, как сверхпроводимость форм и рассеивается. Их результаты привели к новому пониманию в 60-летнем теории сверхпроводимости, как ведет себя. Исследование было опубликовано в журнале «физическое обозрение» письма на этой неделе.

Добавление примесей является полезным способом, чтобы узнать о поведении сверхпроводников, сказал М. Захид Хасан, Юджин Хиггинс профессор физики в Принстонском университете, который возглавлял исследовательскую группу. «Это похоже на то, как мы проверить поведение волны воды в озеро бросить камень», — сказал он. «Путь сверхпроводящих свойств реагируют на примесь раскрывает свои секреты с квантового уровня детализации».

Давнюю идею, известную как теорема Андерсона предсказывает, что хотя добавление примесей может внести разлад в сверхпроводник, во многих случаях, это не разрушит сверхпроводимость. Теорема была выдвинута в 1959 году лауреат Нобелевской премии физик Филипп Андерсон, Джозеф Генри профессор Принстонского физики, Почетный. Но всегда есть исключения из правил.

Кобальт является одним из этих исключений. Вопреки теории, добавлением кобальта сил на основе железа сверхпроводник теряет свои сверхпроводящие способности и стать как обычный металл, в котором течет ток с сопротивлением и отходов его энергии в виде тепла.

До сих пор было неясно, как это происходит.

Для изучения этого явления, в Принстоне команда исследователей использовали технику, известную как сканирующая туннельная микроскопия, которая способна визуализации отдельных атомов, для исследования на основе железа сверхпроводник сделаны из лития, железа и мышьяка.

Они вводят немагнитные примеси в виде атомов кобальта в сверхпроводнике, чтобы увидеть, как он вел себя.

Исследователи измерили большого количества образцов при очень низких температурах, около минус 460 градусов по Фаренгейту (400 градусов милликельвин), который холоднее, чем в космосе почти на десять градусов по Фаренгейту. В этих условиях, исследователи обнаружено и идентифицировано каждый атом кобальта в кристаллической решетке, а затем непосредственно измерить ее влияние на сверхпроводимость на атомарно местного масштаба и глобальной сверхпроводящих свойств образца.

Для этого исследователи изучили более 30 кристаллов в восьми различных концентраций при таких экстремально низких температурах с разрешением атомного уровня. «Нет никакой гарантии, что любой Кристалл даст нам качественные данные, которые нам нужны», — сказал Songtian Соня Чжан, аспирант и co-первый автор исследования.

В результате этого обширного эксперимента, специалисты выяснили, что каждый атом кобальта имеет ограниченное местное воздействие, которое исчезает атома или два в отдалении от примесей. Однако, есть сильные, систематические эволюции через фазовый переход в нормальное, номера-сверхпроводящее состояние при увеличении концентрации кобальта. Сверхпроводимость в конечном итоге полностью уничтожили путем введения более атомов кобальта.

Сверхпроводимость за счет спаривания двух электронов образуют единое квантовое состояние описывается собственность, известная как волновая функция. Это сопряжение позволяет электронов в zip через материал без типичных сопротивление, которое происходит в повседневной металлов. Минимальная энергия, необходимая для того, чтобы рассеивать электроны и разрыв пары называется «сверхпроводящей энергетической щели».

При добавлении атомов кобальта, рассеяние сила может быть описана двумя способами: сильное (или унитарные) и слабая (или родился) предел. Рассеяния родился предел, названный после того, как физик Макс Борн, имеет слабый потенциал, чтобы нарушить волновые функции электронов, которые имеют решающее значение для электрон-электронного взаимодействия и, таким образом, спаривания электронов.

Путем замены атомов железа атомами кобальта ведут себя как Рассеи родился-предела. Хотя Рассеи родился-предела имеют относительно слабый потенциал, чтобы разрушить сверхпроводимость, когда многие совмещают они могут разрушить сверхпроводимость.

Исследователи обнаружили, что для литий-железо-арсенидных материал, рассеяния родился предел, видимо, способны нарушать теорема Андерсона, ведущих к квантовый фазовый переход из сверхпроводящего в несверхпроводящем состоянии.

Сверхпроводящих материалов может быть описана с помощью функции, известной как туннельный спектр, в котором дается описание поведения электронов в материал и выступает в качестве профиля распределения электронов по энергии. Литий арсенида железа материала имеет то, что известно как «S-волны» разрыв характеризуется плоским «U-образный» в сверхпроводящей энергетической щели. Полностью открыт сверхпроводящей щели свидетельствует о качестве сверхпроводящих материалов.

В неожиданный поворот, кобальт-примеси не только подавляют сверхпроводимость, они также меняют характер разрыва, как он развивается из U-формы в в-форму. Форма сверхпроводящей щели, как правило, отражает «параметр порядка», который описывает природу сверхпроводимости. Такая форма характерна для параметров порядка, которые происходят только в уникальный номер высокотемпературных сверхпроводников и намекает на крайне нестандартным поведением.

Явное преобразование посредством изменения параметра порядка (например, отражение в измерениях изменения в виде сверхпроводящей щели) только добавляет к квантовой головоломки.

Эта эволюция является необычным и подтолкнуло исследователей углубить свои расследования. Сочетая теоретические выкладки с магнитных измерений, они смогли подтвердить немагнитного характера рассеяния кобальта.

Так утверждает теорема Андерсона, что немагнитные примеси должны иметь незначительное влияние на этого типа сверхпроводник, исследователи поняли, что альтернативные теории не были разработаны.

В сверхпроводниках на основе железа, ученые предположили, что это знак перемен к фазы сверхпроводящего параметра порядка в различных «карманах Ферми» — энергия среды, которые формируют из-за правила, по которым электроны occupty кристаллической структуры.

«Наивно, различия между обычной сверхпроводимости и знак-изменение сверхпроводимости требует фазочувствительных измерений сверхпроводящего параметра порядка, который может быть чрезвычайно сложной задачей», — сказал Белопольском Илья, научный сотрудник группы Хасан и соавтор исследования. «Прекрасный аспект нашего эксперимента заключается в том, что с учетом нарушения теоремы Андерсона, мы можем обойти это требование».

На самом деле, команда обнаружила, что введение такого знака изменения параметра порядка сверхпроводящего состояния, они были в состоянии воспроизвести странные эволюции от примесей кобальта. Выход за эти первоначальные расчеты, команды были задействованы еще три государства-оф-искусства теоретических методов, чтобы продемонстрировать влияние немагнитных Рассеи кобальта на этот знак-изменение сверхпроводник.

«Тот факт, что три разные теоретические модели указывают на то же объяснение демонстрирует это сделать достаточно обоснованные выводы», — сказал Цзя-Синь-Инь, работал научным сотрудником и другой Co-первый автор изучения. В поисках решения загадки сверхпроводимости, сложные модели, которые не всегда согласны друг с другом. В данном случае, Инь сказал: «модель-независимые результаты однозначно придавить, что это знак-изменение экзотических сверхпроводников изначально не рассматривается работа Андерсона.»

сделать разницу: спонсорские возможности