Nietypowa nadprzewodnictwo: Dziwny przypadek singularyzmu Griffitha

Badania kwantowych przejść fazowych, w szczególności kwantowej osobliwości Griffitha, poczyniły postępy dzięki zespołowi kierowanemu przez Jian-Hao Chena badającemu to zjawisko w niekonwencjonalnych, wysokotemperaturowych, nadprzewodzących monokryształach masowych CaFe1-xNixAsF. Zaobserwowali silne kwantowe osobliwości Griffitha, na które wpływają pola magnetyczne, co sugeruje potencjalną uniwersalność tego zjawiska w trójwymiarowych i niekonwencjonalnych nadprzewodnikach, co może pomóc w lepszym zrozumieniu mechanizmów nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego.

W nowym artykule zbadano kwantową osobliwość Griffitha w przejściach fazowych, koncentrując się na ostatnich badaniach, które mogą poszerzyć naszą wiedzę na temat nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego w materiałach niekonwencjonalnych.

Badanie egzotycznych kwantowych przejść fazowych od dawna jest głównym przedmiotem zainteresowania fizyki materii skondensowanej. Zjawisko krytyczne w przejściu fazowym jest całkowicie zdeterminowane przez jego klasę uniwersalności, która jest zarządzana przez parametry przestrzenne i/lub porządkowe i pozostaje niezależna od szczegółów mikroskopowych. Kwantowe przejścia fazowe, podzbiór przejść fazowych, zachodzą w wyniku fluktuacji kwantowych i są dostrajane przez określone parametry systemu w granicy temperatury zerowej.

Przejście fazowe nadprzewodnik-izolator/metal jest klasycznym przykładem kwantowego przejścia fazowego, które jest intensywnie badane od ponad 40 lat. Zaburzenie jest uważane za jeden z najważniejszych czynników wpływających i dlatego poświęca się mu powszechną uwagę. Podczas przejść fazowych układ zwykle spełnia niezmienność skalowania, więc klasa uniwersalności będzie charakteryzowana przez pojedynczy wykładnik krytyczny. Natomiast osobliwością kwantowej osobliwości Griffitha jest to, że łamie ona tradycyjną niezmienność skalowania, w której wyłania się egzotyczna fizyka.

Rysunek 1: Przejście fazowe nadprzewodnik-metal sterowane polem magnetycznym z wieloma kwantowymi punktami krytycznymi w CaFe1-xNixAsF. Źródło: Science China Press

Fizyka osobliwości Griffithsa sięga 1969 roku, kiedy amerykański fizyk Griffiths zaproponował rodzaj przejścia fazowego, w którym załamana jest niezmienność skalowania. W tym przypadku wykładnik krytyczny ma tendencję do odbiegania, a nie pozostawania stałym. Kwantowa osobliwość Griffitha odnosi się do osobliwości Griffitha w kwantowym przejściu fazowym.

Od czasu zaproponowania kwantowej osobliwości Griffitha zaobserwowano ją jedynie w konwencjonalnych niskowymiarowych warstwach nadprzewodzących i w kilku trójwymiarowych ferromagnetykach. Istnienie kwantowej osobliwości Griffitha w trójwymiarowych nadprzewodnikach i niekonwencjonalnych nadprzewodnikach wysokotemperaturowych nie zostało jeszcze potwierdzone eksperymentalnie. Takie potwierdzenie rzuci światło na zrozumienie mechanizmów niekonwencjonalnego nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego.

Rysunek 2: Diagram fazowy B – T kwantowej osobliwości Griffithsa w trójwymiarowym anizotropowym nadprzewodniku. Źródło: Science China Press

Niedawno grupa badawcza kierowana przez Jian-Hao Chena, badacza z Międzynarodowego Centrum Materiałów Kwantowych na Wydziale Fizyki Uniwersytetu w Pekinie, Pekińskiej Akademii Nauk Informacji Kwantowej oraz Kluczowego Laboratorium Fizyki i Chemii Nanourządzeń Uniwersytecie Pekińskim przeprowadził badanie kwantowej osobliwości Griffitha w niekonwencjonalnym, wysokotemperaturowym monokrysztale masowym nadprzewodzącym CaFe1-xNixAsF. Oni i ich współpracownicy po raz pierwszy wyhodowali serię wysokiej jakości niedodomieszkowanych monokryształów masowych CaFe1-xNixAsF i zaobserwowali ewolucję quasi-dwuwymiarowych do trójwymiarowych anizotropowych kwantowych osobliwości Griffitha w przejściach fazowych nadprzewodnik-metal napędzanych przez pole magnetyczne pola.

Odkryli solidną kwantową osobliwość Griffitha, która może trwać do 5,3 K i może być indukowana w kryształach zarówno przez równoległe, jak i pionowe pola magnetyczne. Badanie to nie tylko ujawnia uniwersalność kwantowej osobliwości Griffitha w trójwymiarowych i niekonwencjonalnych układach nadprzewodników wysokotemperaturowych, ale także przewiduje możliwość znalezienia kwantowych stanów Griffitha w bardziej niekonwencjonalnych rodzinach nadprzewodników wysokotemperaturowych (tj. na bazie niklu i miedzi) nadprzewodniki na bazie nadprzewodników), co może dodatkowo przyczynić się do zrozumienia niekonwencjonalnych mechanizmów nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego.