Studie deckt gebrochene Spiegelsymmetrie in der Fermi-Flüssig-ähnlichen Phase eines Kupferoxids auf

27. August 2024 Funktion

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von Ingrid Fadelli, Phys.org

Materialien mit supraleitenden Eigenschaften bei hohen Temperaturen, bekannt als Hochtemperatursupraleiter, standen im Fokus zahlreicher jüngster Studien, da sie dazu verwendet werden können, neue Technologien zu entwickeln, die bei höheren Temperaturen gut funktionieren. Obwohl die Hochtemperatursupraleitung weitgehend untersucht wurde, ist ihre zugrunde liegende Physik noch nicht vollständig verstanden.

Ein wichtiger Schritt in Richtung eines besseren Verständnisses der Hochtemperatursupraleitung besteht darin, geordnete Phasen von Hochtemperatursupraleitern und ihre zugrunde liegenden Symmetrien zu identifizieren. Dies liegt daran, dass Phasenübergänge in diesen Materialien letztendlich mit ihrer Supraleitung verknüpft sein können.

Forscher der Seoul National University in Korea führten kürzlich eine Studie durch, in der Phasen und damit verbundene Symmetrien im Cuprat-Material (Bi,Pb)2Sr2CaCu2O8+δ untersucht wurden. Ihre Ergebnisse, die in Nature Physics veröffentlicht wurden, enthüllten eine Fermi-Flüssigkeits-ähnliche Phase in diesem Material jenseits der kritischen Dotierung, die durch eine gebrochene Spiegelsymmetrie gekennzeichnet ist.

„Vor etwa vier Jahren waren wir auf der Suche nach einem geeigneten Experiment für unsere neue Ausrüstung namens Rotationsanisotropie-Zweites-Harmonische-Generation (RA-SHG), die eine sehr empfindliche Technik ist und ein wichtiges experimentelles Werkzeug geworden ist“, erklärte Changyoung Kim, Mitautor des Papiers, gegenüber Phys.org.

„Es gab ein paar Vorschläge, dass es eine neue Phase in einem Bereich des Diagramms des Kupferoxids oder Cuprat-Supraleiters geben könnte, der als überdotierter Bereich bezeichnet wird. Der Instinkt setzte ein und wir erkannten, dass SHG ein geeignetes Werkzeug ist, um nach solchen Phasen zu suchen.“

Die Supraleitung in Cuprat-Supraleitern kann mithilfe einer Technik namens Dotierung moduliert werden, bei der Verunreinigungen oder andere Elemente zu einem Material hinzugefügt werden, um seine Eigenschaften zu ändern.

Dieser Prozess ermöglicht es Forschern, selektiv Supraleiter, Metalle oder Isolatoren zu erreichen. Die Dotierungsmenge, bei der Supraleitung bei höchster Temperatur erreicht werden kann, liegt bei einem Wert von etwa 0,15, während alles darüber als „überdotiert“ betrachtet wird.

Jüngste Studien haben gezeigt, dass überdotierte Cuprat-Supraleiter eine neue Phase aufweisen können. Kim und seine Kollegen machten sich daran, diese Phase mit Blei-dotierten Supraleitern zu untersuchen, die zuvor in ihren Labors hergestellt worden waren.

„Symmetrien sagen uns viel über die Natur“, erklärte Kim. „Deshalb ist die Bestimmung von Symmetrien ein wichtiger Schritt in der physikalischen Forschung. Manchmal können Symmetrien jedoch subtil sein (oder manchmal versteckt), sodass die Identifizierung von Symmetrien (oder gebrochenen Symmetrien) recht schwierig werden kann. SHG ist eine Technik, die es uns ermöglicht, Symmetrien oder ihr Brechen auf die sensibelste Weise zu erkennen.“

Unter Verwendung des im Labor entwickelten RA-SHG führten die Forscher eine Reihe von Tests an (Bi,Pb)2Sr2CaCu2O8+δ-Proben durch, die über die kritische Dotierung hinaus dotiert worden waren. Kritische Dotierung ist ein Zustand, in dem die Konzentration der in ein Material eingebrachten Dotanten einen spezifischen Schwellenwert überschreitet, woraufhin das Material unterschiedliche physikalische Eigenschaften aufweisen wird.

„In der Physik gibt es etwas, das als quantenphysikalischer Phasenübergang bezeichnet wird, ein Phasenübergang, der bei null Kelvin (absoluter Nulltemperatur) auftritt“, erklärte Kim. „Der Punkt, an dem der Phasenübergang bei 0 K auftritt, wird Quantenkritischer Punkt genannt. Es wird angenommen, dass die Hochtemperatursupraleitung mit diesem quantenkritischen Punkt zusammenhängt.“

„Im Falle von Cuprat-Supraleitern liegt die kritische Dotierung bei etwa 0,19, und unsere Experimente wurden an Proben durchgeführt, die diesen Wert überschritten haben.“

Die Forscher entdeckten eine gebrochene Spiegelsymmetrie in ihrer Cuprat-Probe, speziell in einer Fermi-Flüssigkeits-ähnlichen Phase, die über der kritischen Dotierung auftrat. Die Temperatur, bei der diese Phase beobachtet wurde, fiel mit der Temperatur zusammen, bei der seltsame Metalle typischerweise in Fermi-Flüssigkeits-ähnliche Metalle übergehen.

„Symmetrien tragen wichtige Informationen und es wird erwartet, dass diese Informationen uns zum mikroskopischen Mechanismus der Hochtemperatursupraleitung führen können“, sagte Kim. „Das ist der Grund, warum die Identifizierung von Phasen und ihren Symmetrien im Mittelpunkt der Forschung zu Cuprat-Supraleitern steht.

„In unserer Arbeit haben wir eine neue Phase und ihre Symmetrie im Phasendiagramm entdeckt. Die Symmetrie der neuen Phase kann uns helfen, die Phase zu identifizieren, was uns wiederum weitere Informationen darüber geben kann, wie ein Elektron mit anderen Elektronen oder seiner Umgebung interagiert.“

Die neue Phase, die im Rahmen dieser aktuellen Studie entdeckt wurde, könnte bald mit verschiedenen anderen experimentellen Techniken weiter untersucht werden. Kim und seine Kollegen hoffen, dass sowohl ihre aktuellen als auch zukünftigen Studien zum Verständnis der Hochtemperatursupraleitung beitragen werden. "Obwohl unsere Arbeit stark darauf hindeutet, dass es eine neue Phase gibt, ist es auch wichtig, dies mit anderen experimentellen Techniken zu überprüfen", fügte Kim hinzu. "Experimente mit anderen Techniken sind im Gange. Insbesondere hoffen wir, die neue Phase zu identifizieren (SHG zeigt uns die Art der Symmetrien der neuen Phase, aber nicht worum es sich handelt). Wir planen auch, theoretische Untersuchungen in Zusammenarbeit mit einer Theoriegruppe durchzuführen." Weitere Informationen: Saegyeol Jung et al, Spontanes Brechen der Spiegelsymmetrie in einem Cuprat über kritischer Dotierung, Nature Physics (2024). DOI: 10.1038/s41567-024-02601-1 Alessandra Milloch et al, Neue Ordnung im Phasendiagramm des Kupferoxids, Nature Physics (2024). DOI: 10.1038/s41567-024-02602-0 Journalinformation: Nature Physics © 2024 Science X Network