Studie onthult gebroken spiegelsymmetrie in de Fermi-liquid-achtige fase van een cupraat.

27 augustus 2024 kenmerk

Dit artikel is beoordeeld volgens het redactionele proces en beleid van Science X. Redacteuren hebben de volgende kenmerken benadrukt terwijl ze de geloofwaardigheid van de inhoud waarborgen:

• feitengecheckt
• peer-reviewed publicatie
• betrouwbare bron
• nagekeken

door Ingrid Fadelli, Phys.org

Materialen die supergeleidende eigenschappen vertonen bij hoge temperaturen, bekend als hoog-temperatuur supergeleiders, hebben de afgelopen tijd veel aandacht gekregen, aangezien ze kunnen worden gebruikt om nieuwe technologieën te ontwikkelen die goed presteren bij hogere temperaturen. Hoewel de hoog-temperatuur supergeleiding veelvuldig is onderzocht, is de onderliggende natuurkunde nog niet volledig begrepen.

Een belangrijke stap naar een beter begrip van de hoog-temperatuur supergeleiding is het identificeren van geordende fasen van hoog-temperatuur supergeleiders en hun onderliggende symmetrieën. Dit komt omdat faseovergangen in deze materialen uiteindelijk verbonden kunnen zijn met hun supergeleiding.

Onderzoekers aan de Nationale Universiteit van Seoul in Korea hebben onlangs een studie uitgevoerd waarin fasen en gerelateerde symmetrieën in het cupraatmateriaal (Bi,Pb)2Sr2CaCu2O8+δ werden verkend. Hun bevindingen, gepubliceerd in Nature Physics, onthulden een Fermi-vloeistofachtige fase die in dit materiaal voorkomt na kritische doping, gekenmerkt door een gebroken spiegel symmetrie.

'Ongeveer vier jaar geleden waren we op zoek naar een geschikt experiment voor onze nieuwe apparatuur genaamd rotationele anisotropie tweede harmonische generatie (RA-SHG) wat een zeer gevoelige techniek is en een belangrijk experimenteel gereedschap is geworden,' zei Changyoung Kim, mede-auteur van het artikel, tegen Phys.org.

'Er waren een paar suggesties dat er een nieuwe fase zou kunnen zijn in een regio van het koperoxide of cupraat supergeleider fase diagram, genaamd het overgedoteerde gebied. Instinct nam de overhand en we realiseerden ons dat SHG een geschikt gereedschap is om naar dergelijke fasen te zoeken.'

De supergeleiding in cupraat supergeleiders kan worden gemoduleerd met behulp van een techniek die bekend staat als doping, wat inhoudt dat onzuiverheden of andere elementen aan een materiaal worden toegevoegd om de eigenschappen ervan te veranderen.

Dit proces stelt onderzoekers in staat om selectief supergeleiders, metalen of isolatoren te verkrijgen. De hoeveelheid doping waarbij supergeleiding kan worden verkregen bij de hoogste temperatuur ligt rond een waarde van 0,15, terwijl alles boven deze waarde als 'overgedoteerd' wordt beschouwd.

Recente studies toonden aan dat overgedoteerde cupraat supergeleiders een nieuwe fase kunnen vertonen. Kim en zijn collega's gingen aan de slag om deze fase te onderzoeken met behulp van lood-gedoteerde supergeleiders die eerder in hun laboratoria waren gesynthetiseerd.

'Symmetrieën vertellen ons veel over de natuur,' legde Kim uit. 'Daarom is het begrijpen van symmetrieën een belangrijke stap in het natuurkundeonderzoek. Echter, soms kunnen symmetrieën subtiel (of soms verborgen) zijn en dus kan het identificeren van symmetrieën (of gebroken symmetrieën) behoorlijk moeilijk worden. SHG is een techniek die ons in staat stelt om symmetrieën of hun breken op de meest gevoelige manier te detecteren.'

Met behulp van de RA-SHG die in hun laboratorium is ontwikkeld, voerden de onderzoekers een reeks tests uit op (Bi,Pb)2Sr2CaCu2O8+δ monsters die verder waren gedoteerd dan kritische doping. Kritische doping is een toestand waarin de concentratie van dopanten die in een materiaal worden geïntroduceerd een specifieke drempel overschrijdt, waarna het materiaal verschillende fysische eigenschappen zal vertonen.

'In de natuurkunde is er iets dat een kwantumfaseovergang wordt genoemd, een faseovergang die plaatsvindt bij nul Kelvin (absolute nultemperatuur),' legde Kim uit. 'Het punt waarop de faseovergang plaatsvindt bij 0 K wordt een kwantumkritisch punt genoemd. Er wordt aangenomen dat de hoog-temperatuur supergeleiding verband houdt met dit kwantumkritische punt.

'In het geval van cupraat supergeleiders ligt de kritische doping rond 0,19 en onze experimenten werden uitgevoerd op monsters die deze waarde overschreden.'

De onderzoekers ontdekten een gebroken spiegel symmetrie in hun cupraatsample, specifiek in een Fermi-vloeistofachtige fase die optrad na kritische doping. De temperatuur waarbij deze fase werd waargenomen viel samen met de temperatuur waarbij vreemde metalen typisch overgaan in Fermi-vloeistofachtige metalen.

'Symmetrieën dragen belangrijke informatie met zich mee en het wordt verwacht dat deze informatie ons kan leiden naar het microscopische mechanisme van de hoog-temperatuur supergeleiding,' zei Kim. 'Daarom is het identificeren van fasen en hun symmetrieën de kern geweest van het cupraat supergeleideronderzoek.

'In ons werk hebben we een nieuwe fase en zijn symmetrie in het fasendiagram gevonden. De symmetrie van de nieuwe fase kan ons helpen de fase te identificeren, wat ons op zijn beurt meer informatie kan verschaffen over hoe een elektron interageert met andere elektronen of zijn omgeving.'

De nieuwe fase die als onderdeel van dit recente onderzoek aan het licht is gekomen, zou binnenkort verder kunnen worden onderzocht met behulp van diverse andere experimentele technieken. Kim en zijn collega's hopen dat zowel hun recente als toekomstige onderzoeken zullen bijdragen aan het begrip van hoge-temperatuur-supergeleiding.

'Hoewel ons werk sterk suggereert dat er een nieuwe fase is, is het ook belangrijk om dit te controleren met andere experimentele technieken,' voegde Kim toe. 'Experimenten met andere technieken zijn momenteel gaande. In het bijzonder hopen we de nieuwe fase te identificeren (SHG vertelt ons welke symmetrieën de nieuwe fase heeft, maar niet wat het is). We zijn ook van plan om theoretisch onderzoek te doen in samenwerking met een theoretische groep.'

Meer informatie: Saegyeol Jung et al, Spontane breuk van spiegelsymmetrie in een cupraat voorbij kritieke doping, Nature Physics (2024). DOI: 10.1038/s41567-024-02601-1

Alessandra Milloch et al, Nieuwe orde in het fase-diagram van koperoxide, Nature Physics (2024). DOI: 10.1038/s41567-024-02602-0

Tijdschriftinformatie: Nature Physics

© 2024 Science X Network