一种超导体的理论解决了另一种类型的难题

莱斯大学物理学家提出的2017年理论解释了铁基高温超导体的矛盾行为,这有助于解决不同类型的非常规超导体 - 称为CeCu2Si2的“重费米子”化合物的难题。

来自美国,中国,德国和加拿大的国际团队在“美国 国家科学院院刊”(PNAS)上报告了这一发现。该研究的重点是铈,铜和硅复合材料,其在1979年的奇怪行为帮助开创了量子材料的多学科领域 。

那一年,由马克斯普朗克研究所的PNAS论文的共同作者Frank Steglich领导的团队 发现,CeCu2Si2在极冷的温度下成为超导体。现有理论无法解释超导机制, 这一发现 是如此出乎意料和不寻常,以至于许多物理学家最初都拒绝接受它。1986年在铜陶瓷中发现更高温度的超导电性, 引起了人们对该领域的兴趣,并成为理论物理学家的职业生涯,如Rice的 Qimiao Si,PNAS研究合着者和Harry C. and Olga K. Wiess物理学教授和天文学。

Si与Steglich 长达数十年的合作 已导致近二十多项经同行评审的研究表示,“在我最疯狂的梦想中,我没有想到我们为铁基超导体提出的理论会回到其他部分。我的生命,这是重型费米子超导体。“

由于量子力在其行为中起着关键作用,因此物理学家称量子物质就像高温超导体一样,重质费米子就像高温超导体一样。例如,在高温超导体中,电子形成对并且在比常规超导性所需温度更温暖的温度下无阻力地流动。在重费米子中,电子的质量似乎是它们应有的数千倍。

2001年,同时负责量子材料研究中心(RCQM)的Si 提出了一个开创性的理论 ,即这些现象出现在关键转折点, 即压力或其他条件变化导致从一个量子状态转变为另一个状态的临界点。 。在临界点或“量子临界点”,电子在试图跨越国家之间的界限时可以形成一种分裂的人格。

超导的情况 说明了这种情况 如何发挥作用。在普通的铜线中,当电子流动并撞击线中的原子时会产生电阻。每个凸起都会消耗少量能量,而这些能量会因热量而损失。在超导体中,电子通过配对和流动来避免这种损失,没有任何颠簸。

因为电子是最反社会的亚原子粒子之一,它们彼此排斥并且仅在特殊情况下配对。在传统超导体的情况下,过冷电线中原子间距的微小变化可以诱导电子进入方便的结合。非常规超导体的机制 是不同的。

“我们的统一理解是,如果两个电子真的很难相互排斥,那么仍然会有吸引力,”Si说。“如果我感动,因为我不喜欢亲近你,你也在做同样的事情,但我们不能相距太远,它就变成了一种舞蹈。高温超导体中的两对相互移动,与两个旋转的舞伴不同,即使它们在舞池中一起移动也是如此。

由Si和当时的研究生Emilian Nica提出 的 2017年理论,现在是不列颠哥伦比亚大学量子材料研究所的博士后研究员,他认为原子轨道内的选择性配对 可以解释一些最高温度的令人费解的实验结果超导体,碱金属硒化铁。

一些实验表明,碱性硒化铁中的成对表现得好像它们的角动量为零,物理学家用术语s波表示,而其他实验表明这对成对的角动量为2,物理学家称之为d -波。这种差异很大,因为角动量是电子的基本标识符。就像在杂货店的不同垃圾箱中发现苹果和橙子一样,s波和d波配对不会混合,并且可以在不同的材料中找到。

“Nica的论文介绍的是,你可以有超导状态,其中与子壳的一个轨道相关的电子对与同一子壳中另一个密切相关的轨道的电子对非常不同,因为它们具有相反的符号,”Si说。

“我们提出这种多轨道配对状态的原因是因为测量某些东西,如磁响应,会显示碱性硒化铁具有规范的d波特征,而其他测量,如角分辨光发射,则显示出与之相关的属性。 s波超导体。

“铁基超导体的实验已经完成,我们提供了一个解释,一个既稳定又稳健的配对状态,但却具有实验观察到的所有这些看似矛盾的特性。”

当 2017 年日本的实验在CeCu2Si2中发现一些令人费解的特性时,Si告诉Steglich,轨道选择理论可能能够解释它们。他们一起与 中国杭州浙江大学相关物质中心副主任 物理学家Huiqiu Yuan的实验团队联手 测试了这个想法。

Si和Nica的理论预测,实验将揭示CeCu2Si2的一组看似矛盾的测量结果,前提是材料可以冷却到比产生超导性的临界点更冷的温度。袁的小组进行了实验并确认了预测。

尼卡说:“历史证据一直是这种材料的配对是d波。” “但实验证实,尽管有大量证据证明它是d波,但它确实有一个叫做'完全开口的间隙'的特征,通常与s波超导体有关。到目前为止,我们提供的唯一理论可以说明这一点。“

斯说,“它在几个层面上都非常令人满意。一个是,虽然凝聚态物理提供了许多可以容纳迷人属性的材料,但我们最终都在寻求统一的原则,特别是作为理论家。多年来我一直在积极寻找这些统一的原则,但是当我们提出这个理论时,我们并没有积极寻求统一的解释。为了看到这种效果,在另一个完全出乎意料的环境中出现这种效果真是一个惊喜。“

Steglich是德国德累斯顿Max Planck固体化学物理研究所的名誉创始人,负责浙江相关物质中心的工作。浙江和德累斯顿的团队都是赖斯量子材料中心的合作伙伴。RCQM利用全球合作伙伴关系和20多个赖斯研究小组的优势,解决与量子材料相关的有趣和重要问题。通过国际交往提高研究成果和扩大赖斯的影响力和影响是赖斯二世纪,二十年(V2C2)愿景的目标之一。

版权声明

本文仅代表作者观点,不代表本站立场。
本文系作者授权发表,未经许可,不得转载。

相关推荐