Der Vergleich von „Schwester“-Verbindungen könnte der Schlüssel zum Quantenrätsel bei supraleitenden Materialien sein

31. August 2023

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von Kate Blackwood, Cornell University

Seit Jahren versuchen Physiker, ein Quantenphänomen zu erklären, das in einer großen Klasse supraleitender Materialien auftritt: Elektronen in sogenannten „seltsamen Metallen“ streuen mit hoher Geschwindigkeit und werden dabei von der Temperatur beeinflusst. Herauszufinden, warum dies bei bestimmten unkonventionellen Metallen geschieht, könnte der Schlüssel zu vielen Quantenmaterial-Rätseln sein, einschließlich der Hochtemperatursupraleitung, nach der Physiker seit langem suchen, um eine effizientere Möglichkeit zur Übertragung elektrischer Energie zu finden.

In zwei neuen Arbeiten erklärt eine internationale Zusammenarbeit von Forschern, darunter Cornell-Physikern, auf mikroskopischer Ebene, warum eine solche „Plancksche“ Streuung in der Verbindung PdCrO2 auftritt, während dies bei ihrer nahezu identischen „Schwester“ PdCoO2 nicht der Fall ist.

Die Plancksche Streuung, die Geschwindigkeit, mit der Elektronen auf Materialfehler und aufeinander treffen, nimmt linear mit der Temperatur zu. Mithilfe eines Vergleichs von PdCrO2 und PdCoO2 – bei denen es sich um sehr saubere Kristalle mit gut dokumentierten Eigenschaften handelt – liefern die Forscher erstmals eine quantitativ genaue Beschreibung des Ursprungs der mysteriösen „Planckschen Streurate“ in stark wechselwirkenden Metallen.

„T-linear Resistivity From Magneto-Elastic Scattering: Application to PdCrO2“, veröffentlicht am 28. August in Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

In zahlreichen seltsamen Metallen wird die charakteristische Zeit zwischen Elektronenkollisionen untereinander und mit allem, was ihnen auf ihrem Weg begegnet, durch das Plancksche Wirkungsquantum und die Temperatur bestimmt, sagte Debanjan Chowdhury, Assistenzprofessor für Physik am College of Arts and Sciences und Co-Autor des Artikels. Die überwiegende Mehrheit der bekannten Hochtemperatursupraleiter zeigt diese Eigenschaft, wenn sie über ihre Supraleitungstemperatur erhitzt werden.

Aus diesem Grund glaubt man seit einiger Zeit, dass der Schlüssel zum Verständnis des Ursprungs der Hochtemperatursupraleitung darin liegt, den roten Faden dieser Materialien zu verstehen, der zu dieser universellen Planckschen Zeitskala führt.

„Die Motivation hinter dieser gemeinsamen Theorie- und Experimentzusammenarbeit bestand darin, mindestens ein Materialbeispiel zu haben, bei dem jede für den elektrischen Transport relevante Eigenschaft genau bekannt ist, und eine mikroskopische Theorie für den Ursprung der Planckschen Streuzeiten zu entwickeln“, sagte Chowdhury.

„Soweit ich weiß, ist dies eine der ersten unkonventionellen Verbindungen, für die wir eine quantitative Theorie für den Transport haben, die von einem mikroskopischen Modell des Materials ausgeht, das zufällig bereits in großer Übereinstimmung mit dem Experiment ist.“

Da es viel auf dem Spiel steht, dies auf eine sehr effiziente Energienutzung anzuwenden, werden in der Physik der kondensierten Materie große Anstrengungen unternommen, um die Ursache zu verstehen, sagte Chowdhury. „Das Bedauerliche ist, dass diese supraleitenden Materialien wirklich schwer zu verstehen und theoretisch zu modellieren sind“, sagte er. „Unsere Hoffnung bestand also darin, uns zunächst auf ein einfacheres, sauberes und wirklich gut charakterisiertes Material zu konzentrieren, um eine Theorie für dieses Phänomen zu entwickeln.“

Das Material der Wahl, PdCrO2, ist ein magnetischer „Delafossit“ (eine Art Chromoxidmineral), das Chowdhury als paradigmatisches Beispiel für ein „interessantes korreliertes Material“ mit zwei Arten von Elektronen bezeichnet: einem Satz beweglicher Elektronen, die Elektrizität frei leiten, und ein weiterer Satz unbeweglicher Elektronen, die Magnetismus zeigen. Der Elektronenmagnetismus in PdCrO2 ist der Schlüssel; In der Schwesterverbindung PdCoO2 sieht alles gleich aus, außer dass es keinen Hinweis auf Magnetismus gibt. In PdCrO2 erfolgt der elektrische Transport nach Planck, während dies in PdCoO2 nicht der Fall ist.

Aber der Magnetismus selbst reicht nicht aus, um den Ursprung der Planckschen Zeitskalen zu erklären.

„Der entscheidende Teil des Puzzles ist ein unerwarteter kooperativer Prozess, bei dem Elektronen gleichzeitig mit den Schwingungen des Kristalls und den lokalisierten Spins – den Grundbausteinen des Magnetismus – interagieren“, sagte Juan Felipe Mendez Valderrama, Doktorand in Physik und Co -Hauptautor zusammen mit Evyatar Tulipman vom israelischen Weizmann Institute of Science.

„Wir können jetzt nach neuen Kandidatenmaterialien suchen, bei denen diese bisher ignorierte Wechselwirkung eine dominierende Rolle spielt, und indem wir einen dieser Bestandteile verändern, können wir völlig neue Phänomene vorantreiben.“

Erez Berg vom Weizmann Institute of Science, Elina Zhakina vom Max-Planck-Institut und Andrew P. MacKenzie von der University of St. Andrews sind Co-Autoren dieser Zusammenarbeit. Chowdhury und Berg, langjährige Mitarbeiter, beschlossen im Sommer 2022, ihre Kräfte zu bündeln, als sie zufällig entdeckten, dass sie bei der Teilnahme an einem Sommerworkshop am Aspen Center for Physics die gleichen Ideen zur Lösung des experimentellen Rätsels hatten.

Die experimentelle Studie, die die Theorie begründete, „Investigation of Planckian Behavior in a High-Conductivity Oxide: PdCrO2“, wurde ebenfalls am 28. August in PNAS mit allen oben genannten Autoren veröffentlicht.

„Unsere Studie hat eine unvermeidliche und bisher ignorierte Quelle der Streuung der Elektronen in Delafossit-Materialien identifiziert“, sagte Chowdhury. „Während wir uns auf ein bestimmtes Material konzentrierten, sind viele dieser Überlegungen gleichermaßen für eine Vielzahl anderer, möglicherweise komplizierterer Materialien relevant. Unsere Hoffnung ist, dass das neue Verständnis zu grundlegenden Erkenntnissen über eine größere Klasse von Materialien führen wird, in denen der elektrische Transport eine Rolle spielt.“ mysteriöse Plancksche Zeitskala.

Mehr Informationen: JF Mendez-Valderrama et al, T-linearer Widerstand aus magnetoelastischer Streuung: Anwendung auf PdCrO 2, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI: 10.1073/pnas.2305609120

Elina Zhakina et al., Untersuchung des Planckschen Verhaltens in einem hochleitfähigen Oxid: PdCrO 2, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI: 10.1073/pnas.2307334120

Zeitschrifteninformationen:Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften

Zur Verfügung gestellt von der Cornell University