Сравнение «сестринских» соединений может стать ключом к разгадке квантовой загадки сверхпроводящих материалов.

31 августа 2023 г.

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

рецензируемое издание

надежный источник

корректура

Кейт Блэквуд, Корнелльский университет

В течение многих лет физики пытались объяснить квантовое явление, которое происходит в большом классе сверхпроводящих материалов: электроны в так называемых «странных металлах» рассеиваются с высокой скоростью, в зависимости от температуры. Выяснение того, почему это происходит с некоторыми нетрадиционными металлами, могло бы дать ключ к разгадке многих загадок квантовых материалов, включая высокотемпературную сверхпроводимость, которую физики давно ищут как более эффективный способ передачи электрической энергии.

В двух новых статьях международное сотрудничество исследователей, в том числе физиков из Корнелла, объясняет на микроскопическом уровне, почему такое «планковское» рассеяние происходит в соединении PdCrO2, а не в его почти идентичном «сестре» PdCoO2.

Планковское рассеяние, скорость, с которой электроны сталкиваются с дефектами материала и друг с другом, линейно увеличивается с температурой. Сравнивая PdCrO2 и PdCoO2 — очень чистые кристаллы с хорошо документированными свойствами — исследователи впервые дают количественно точное описание происхождения загадочной «скорости планковского рассеяния» в сильно взаимодействующих металлах.

«Т-линейное сопротивление от магнитоупругого рассеяния: применение к PdCrO2», опубликованное 28 августа в Трудах Национальной академии наук (PNAS).

Во многих странных металлах характерное время между столкновениями электронов друг с другом и со всем, что они встречаются на своем пути, определяется постоянной Планка и температурой, сказал Дебанжан Чоудхури, доцент кафедры физики Колледжа искусств и наук. и соавтор статьи. Подавляющее большинство известных высокотемпературных сверхпроводников при нагревании выше температуры сверхпроводимости проявляют это свойство.

Вот почему какое-то время считалось, что ключ к пониманию происхождения высокотемпературной сверхпроводимости лежит в понимании общей нити между этими материалами, которая ведет к этой универсальной планковской шкале времени.

«Мотивация этой совместной теории и экспериментального сотрудничества заключалась в том, чтобы иметь хотя бы один материальный пример, где каждое свойство, имеющее отношение к электрическому транспорту, точно известно, и построить микроскопическую теорию происхождения планковского времени рассеяния», — сказал Чоудхури.

«Насколько мне известно, это одно из первых нетрадиционных соединений, для которого у нас есть количественная теория переноса, основанная на микроскопической модели материала, которая уже сейчас находится в полном согласии с экспериментом».

По словам Чоудхури, поскольку ставки на применение этого метода для очень эффективного использования энергии высоки, в физике конденсированного состояния предпринимаются огромные усилия, чтобы понять причину. «К сожалению, эти сверхпроводящие материалы действительно трудно понять и смоделировать теоретически», — сказал он. «Поэтому мы надеялись сначала сосредоточиться на более простом, чистом и действительно хорошо охарактеризованном материале, чтобы построить теорию этого явления».

Выбранный материал, PdCrO2, представляет собой магнитный «делафоссит» (разновидность минерала оксида хрома), который Чоудхури называет парадигматическим примером «интересного коррелированного материала» с двумя видами электронов: набором мобильных электронов, которые свободно проводят электричество, и еще один набор неподвижных электронов, обладающих магнетизмом. Электронный магнетизм в PdCrO2 является ключевым; в сестринском соединении PdCoO2 все выглядит так же, за исключением отсутствия намека на магнетизм. В PdCrO2 электрический транспорт является планковским, а в PdCoO2 — нет.