Rzucenie światła na nadprzewodnictwo nowo odkrytego metalu Kagome

Ze scenariuszem Duane Nguyen

Stosowane już w komputerach i urządzeniach do obrazowania metodą rezonansu magnetycznego (MRI), nadprzewodniki są materiałami, które mogą przewodzić elektryczność bez oporu i dają nadzieję na rozwój bardziej zaawansowanych technologii, takich jak poruszające się pociągi i obliczenia kwantowe. Jednak sposób działania nadprzewodnictwa w wielu materiałach pozostaje tajemnicą ograniczającą jego zastosowania.

Nowe badanie opublikowane w Nature Physics rzuca światło na nadprzewodnictwo AV3Sb5, niedawno odkrytej rodziny minerałów kagome. Badania były prowadzone przez Liang Wu z College of Arts and Sciences i prowadzone przez Yishuai Xu, badacza podoktoranckiego w laboratorium Wu oraz doktorantów Chuoliang Ni i Kenwen Denga, we współpracy z naukowcami z Instytutu Nauki Weizmanna i Uniwersytetu im. Kalifornia, Santa Barbara.

Od czasu ich odkrycia nadprzewodniki o wzorze chemicznym AV3Sb5, gdzie A oznacza cez, rubid lub potas, wzbudziły duże zainteresowanie swoimi szczególnymi właściwościami. Pojazdy mają kratownicę Kagome, niezwykły układ atomów, który przypomina i bierze swoją nazwę od japońskiego wzoru plecionego kosza z zazębiających się trójkątów dzielących róg. Materiały kratowe Kagome od dziesięcioleci fascynują naukowców, ponieważ zapewniają wgląd w zjawiska kwantowe, takie jak frustracja geometryczna, topologia i silne korelacje.

Podczas gdy poprzednie badania nad AV3Sb5 odkryły współistnienie dwóch różnych współpracujących stanów elektronowych – porządku falowego gęstości ładunku i nadprzewodnictwa – natura łamania symetrii związanego z tymi stanami była niejasna. W fizyce symetria odnosi się do fizycznej lub matematycznej cechy układu, która pozostaje niezmieniona po pewnych przekształceniach. Gdy substancja przechodzi z normalnego stanu wysokotemperaturowego do egzotycznego stanu niskotemperaturowego, takiego jak nadprzewodnictwo, dochodzi do łamania symetrii. Wu, którego laboratorium opracowuje i wykorzystuje nieliniowe techniki optyczne o rozdzielczości czasowej do badania materiałów kwantowych, zademonstrowało naturę łamania symetrii, gdy AV3Sb5 wchodzi w fazę fali gęstości ładunku.

AV3Sb5 wyświetla to, co naukowcy nazywają „łańcuchem” etapów łamania symetrii. Innymi słowy, gdy system stygnie, zaczyna wchodzić w stan łamania symetrii, a coraz niższe temperatury powodują dodatkowe łamanie symetrii. „Aby wykorzystać nadprzewodniki do zastosowań, musimy je zrozumieć” – mówi Wu. „Ponieważ nadprzewodnictwo rozwija się w niższych temperaturach, musimy najpierw zrozumieć fazę fali gęstości ładunku”.

W stanie naturalnym AV3Sb5 składa się z heksagonalnej struktury krystalicznej, składającej się z sieci kagome atomów wanadu (V) koordynowanych przez antymon (Sb) ułożonych jeden na drugim, z warstwami cezu, rubidu lub potasu pomiędzy każdym V-Sb warstwa. Struktura jest sześciokrotnie symetryczna obrotowo; Po obróceniu o 60 stopni pozostaje taki sam. Aby sprawdzić, czy AV3Sb5 zachowuje sześciokrotną symetrię w fazie fali gęstości ładunku, naukowcy przeprowadzili pomiary dyfrakcji skaningowej na wszystkich trzech członkach rodziny AV3Sb5. Podwójna dwójłomność lub podwójna dwójłomność odnosi się do właściwości optycznej wykazywanej przez materiały o krystalograficznie odrębnych osiach, osi głównej i osi parabolicznej. Kiedy światło wnika w materiał wzdłuż nierównoważnej osi, dzieli się na dwie części, przy czym każda wiązka jest spolaryzowana i porusza się z różnymi prędkościami.

„W płaszczyźnie kagome liniowa odpowiedź optyczna powinna być taka sama w każdym kierunku, ale nie w AV3Sb5, ponieważ między dwiema warstwami kagome występuje względne przesunięcie”, mówi Wu, wyjaśniając, że pomiary refrakcji ujawniły różnicę między dwiema warstwami ortogonalnymi. kierunki w płaszczyźnie i przesunięcie fazowe między dwiema warstwami, które symetria obrotowa zmniejsza sześciokrotnie dla materiałów do dwukrotnego, gdy wchodzą one w stan fali gęstości ładunku. „Wcześniej nie było to jasne dla społeczności fizyków”.

Charakterystyczne osie nie są jedynym wyjaśnieniem rotacji płaszczyzny polaryzacji światła. Kiedy liniowo spolaryzowane światło napotyka powierzchnię magnetyczną, również się zmienia, zjawisko znane jako magnetyczno-optyczny efekt Kerra. Po oddzieleniu właściwości refrakcyjnej poprzez wysłanie światła wzdłuż głównej osi w próbkach AV3Sb5, naukowcy wykorzystali drugą technikę optyczną do pomiaru początku efektu Kerra. W przypadku wszystkich trzech metali eksperymenty wykazały, że efekt Kerra zaczyna się w stanie fali gęstości ładunku. Wynik ten wskazuje, że powstawanie fal gęstości ładunku łamie inną symetrię, symetrię z odwróceniem czasu. Najprostszym sposobem na złamanie symetrii z odwróceniem czasu – który mówi, że prawa fizyki pozostają takie same bez względu na to, czy czas mija do przodu, czy do tyłu – to użycie magnesów trwałych, takich jak te, które trzymamy w lodówce, mówi Wu.

Jednak efekt Kerra można zaobserwować tylko w niskich temperaturach i z dużą precyzją, co wskazuje, że minerały Kagome nie są znacząco magnetyczne. „Korzystając z tych materiałów kwantowych”, mówi Wu, on i jego współpracownicy wysnuli teorię, że odwracalna w czasie symetria „nie jest łamana przez magnes trwały, ale przez kołowy prąd prądu”. Aby potwierdzić charakter łamania symetrii z odwróceniem czasu w przypadku fali gęstości ładunku, naukowcy przeprowadzili trzeci eksperyment, w którym zmierzyli dichroizm kołowy, czyli nierówny współczynnik odbicia prawoskrętnego i lewoskrętnego światła spolaryzowanego kołowo. faza fali gęstości ładunku. „Wciąż potrzeba więcej pracy, ale to odkrycie naprawdę potwierdza możliwość krążących prądów toroidalnych” – mówi Wu, których obecność może wskazywać na niekonwencjonalny charakter nadprzewodnictwa w metalach.

W 2018 roku Kongres uchwalił ustawę National Quantum Initiative Act, której celem jest promowanie badań nad materiałami kwantowymi i rozwój technologii kwantowej. Materiały kwantowe obejmują te o właściwościach topologicznych i te z korelacją, takie jak metale AV3Sb5 Kagome. Podczas gdy poprzednie badania Wu koncentrowały się na tych pierwszych i antymagnesach, twierdzi on, że technologia optyki skaningowej, którą opracował dla tych badań, dostarczyła „gotowego i wszechstronnego narzędzia” do badania łamania symetrii w nowych minerałach Kagome.

„Wszystkie nadprzewodniki są interesujące, ponieważ można je wykorzystać jako podstawę komputerów kwantowych, ale zanim użyjemy tych nowych nadprzewodników do obliczeń kwantowych, musimy zrozumieć naturę nadprzewodnictwa” – mówi Wu.

Finansowanie tych badań pochodziło z Army Research Office (dotacje W911NF-21-1-0131, W911NF-20-2-0166 i W911NF-19-1-0342), wiceprezesa Undergraduate Research Foundation ds. badań, National Science Foundation ( EAGER DMR- 2132591, MRSEC DMR-1720530, EPM DMR-2213891), Inicjatywa EPiQS Fundacji Gordona i Betty Moore (dotacja GBMF9212) i Biuro Badań Naukowych Sił Powietrznych (dotacja FA9550-22-1-0410)