Bemerkenswert starke Paarung von Ladungsträgern in zweischichtigen antiferromagnetischen Mott-Isolatoren

Bemerkenswert starke Paarung von Ladungsträgern in zweischichtigen antiferromagnetischen Mott-Isolatoren

Paaren oder nicht paaren: Der gebundene Zustand zweier beweglicher Ladungen ohne Spin (links) gewinnt gegen unabhängige Spin-Ladungs-Paare (rechts) im Wettbewerb um die niedrigste Energie. Bildnachweis: Bohrdt et al.

In den letzten Jahren haben viele Physiker und Materialwissenschaftler die Supraleitung untersucht, das vollständige Verschwinden des elektrischen Widerstands, das in einigen festen Materialien beobachtet wird. Supraleitung wurde bisher vor allem bei Materialien beobachtet, die auf sehr tiefe Temperaturen gekühlt werden, typischerweise unter 20 K.

Einige Materialien zeigen jedoch Supraleitfähigkeit bei hohen Temperaturen über 77 K. Viele dieser Materialien, die auch als Hochtemperatur-Supraleiter bekannt sind, sind als Antiferromagnete bekannt.

Ein Aspekt der Hochtemperatur-Supraleitung, den Physiker besser zu verstehen versuchten, ist die Bildung von Paaren beweglicher Dotierstoffe in Antiferromagneten, die in antiferromagnetischen Hochtemperatur-Supraleitern beobachtet wurde. Trotz umfangreicher Studien auf diesem Gebiet wurde der mikroskopische Paarungsmechanismus, der diesen stark korrelierten Systemen zugrunde liegt, noch nicht allgemeingültig definiert.

Forscher des Munich Center for Quantum Science and Technology (MCQST), der Ludwig-Maximilans-Universität München, der ETH Zürich und der Harvard University haben kürzlich die Hochtemperatur-Paarung beweglicher Ladungsträger in dotierten antiferromagnetischen Mott-Isolatoren enthüllt. Ihre Arbeit, veröffentlicht in Naturphysikkönnte ein neues Licht auf die Bildung beweglicher Dotierstoffpaare in Antiferromagneten werfen.

„Da wir uns zuvor sehr ausführlich mit dem Einzeldotierstoffproblem beschäftigt hatten, war der nächste logische Schritt, Lochpaare zu untersuchen“, sagte Fabian Grusdt, einer der Forscher, der die Studie durchführte, gegenüber Phys.org. „Also haben wir vor einigen Jahren damit begonnen, einige unserer früheren Ergebnisse auf den Zwei-Dotierstoff-Fall zu verallgemeinern und fanden erste analytische Einblicke in den starken Paarungsmechanismus, der Löcher aneinander binden kann zwei Löcher in Mono-Layer-Einstellungen sind ein erhebliches Hindernis für die Paarung.

Bei ihren Untersuchungen erkannten Grusdt und seine Kollegen schließlich, dass Bilayer-Materialien ideale Plattformen sein könnten, um die Bildung und Paarung von Ladungsträgern zu untersuchen, da sich in diesen Materialien der von ihnen beobachtete fadenbasierte Paarungsmechanismus zu seiner vollen Stärke entfalten kann. Aufgrund ihrer Eigenschaften und experimentellen Relevanz entschied sich das Team, diese Materialien zu untersuchen.

„Uns war schnell klar, dass der von uns vorhergesagte Paarungsmechanismus zu deutlich erhöhten Bindungsenergien führen würde und daher für aktuelle ultrakalte Atomsysteme direkt zugänglich wäre“, sagte Grusdt. „Sobald wir den neuen Mechanismus verstanden hatten, ließen uns seine konzeptionelle Schönheit und Einfachheit eine Weile befürchten, dass konkurrierende Gruppen möglicherweise bereits ähnliche Ansätze verfolgen, aber am Ende wurde unsere enthusiastische Arbeit belohnt.“

Bemerkenswert starke Paarung von Ladungsträgern in zweischichtigen antiferromagnetischen Mott-Isolatoren

Stringbasierte Paarung mobiler Ladungen in einem Doppelschicht-Antiferromagneten: Geladene Löcher, die sich in gegenüberliegenden Schichten eines Quantenparamagneten bewegen, erzeugen einen String aus verschobenen antiferromagnetischen Bindungen. Indem sie sich in einem stark korrelierten Konzert bewegen, nutzen die Ladungen ihre kinetische Energie optimal aus, was letztendlich zu einem starken Paarungsmechanismus führt, der bei überraschend hohen Temperaturen experimentell realisiert werden kann. Bildnachweis: Bohrdt et al.

Der von Grusdt und seinen Kollegen enthüllte neue Mechanismus tritt zunächst in einem konzeptionell einfacheren Regime auf, das als „tight-binding“-Regime bekannt ist. Die Hauptidee hinter diesem Mechanismus ist, dass zwei gepaarte Ladungen nur das “bezahlen”. Energie notwendig, um eine statt zwei antiferromagnetische Bindungen zu brechen.

Durch die Paarung von Ladungen aus zwei verschiedenen Schichten des Materials in der von den Forschern verwendeten gemischtdimensionalen Umgebung kann die kinetische Energie der Ladungen, die typischerweise alle Energieskalen dominiert, unterdrückt werden. Andererseits ist im konzeptionell komplexeren „Regime der starken Kopplung“ der „Klebstoff“, der erforderlich ist, um zwei Ladungen zu koppeln, abgeleitet von einer Reihe verschobener antiferromagnetischer Bindungen.

“Die Herstellung dieser Saite kostet erhebliche magnetische Energie, aber insgesamt gewinnen die Ladungen genügend kinetische Energie, indem sie sich gegenseitig folgen”, erklärte Grusdt. „Um es klar auszudrücken: Die mobilen Dotierstoffe können sich in einem stark korrelierten Konzert bewegen und ausreichend delokalisieren, um selbst eine große potenzielle Energiebarriere zu dominieren, die versucht, sie zu lösen. Tatsächlich haben wir ein kompliziertes Zusammenspiel von kinetischen und magnetischen Energieskalen offenbart, das es letztendlich ermöglicht eine Bindung von Energien, die systematisch diejenigen übersteigen, die im System der engen Bindung realisierbar sind.

Die jüngste Arbeit von Grusdt und seinen Kollegen enthüllt einen bemerkenswert starken Paarungsmechanismus, der in einer Vielzahl von Parametern analytisch nachvollziehbar ist. Dies ist eine besonders bemerkenswerte Leistung, da Studien in diesem Bereich der Physik typischerweise auf rechenintensiven numerischen Simulationen beruhen.

„Auf kurze Sicht ist die wichtigste Auswirkung unserer Arbeit wahrscheinlich die experimentelle Machbarkeit unseres Ansatzes, der erst kürzlich zu der lang gesuchten experimentellen Beobachtung der Paarung in einem Hubbard-ähnlichen System ultrakalter Atome geführt hat“, fügte Grusdt hinzu. “Langfristig glauben wir, dass unser Ansatz möglicherweise das Design neuer Materialien mit deutlich verbesserten Supraleitungstemperaturen motivieren kann.”

In Zukunft könnten die von Grusdt und seinen Kollegen durchgeführte Studie und der von ihnen enthüllte Mechanismus den Weg für das Design und die Herstellung von Materialien ebnen, die bei deutlich höheren Temperaturen Supraleitung zeigen. Darüber hinaus könnte es helfen, das derzeitige Verständnis des Paarungsmechanismus zu verbessern, der der Hochtemperatur zugrunde liegt Supraleitung.

“Wir planen nun, unsere jüngsten Ergebnisse als Ausgangspunkt für weitere Studien zur Lochpaarung in stark korrelierten Quantensystemen zu nutzen”, fügte Grusdt hinzu. „Zum Beispiel wollen wir zusätzliches Phonon-Dressing in Betracht ziehen, um herauszufinden, ob es die Bindungsenergien erhöhen oder verringern würde.“

In ihren nächsten Studien planen die Forscher auch, die Anregungsspektren von gepaarten Ladungen eingehender zu untersuchen, um festzustellen, wie relevant ihre Ergebnisse für die durch das Plain-Vanilla-Fermi-Hubbard-Modell beschriebenen Paarungsmechanismen sind. Außerdem möchten sie untersuchen, ob sich in stärker frustrierten Regimen des Phasendiagramms noch exotischere Strukturen aus beweglichen Ladungen und Strings bilden könnten.


Bandüberkreuzung und magnetisches Phasendiagramm von supraleitendem Ba2CuO4-δ


Mehr Informationen:
Annabelle Bohrdt et al., Starke Paarung in gemischtdimensionalen zweischichtigen antiferromagnetischen Mott-Isolatoren, Naturphysik (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01561-8

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Zitieren: Bemerkenswert starke Paarung von Ladungsträgern in zweischichtigen antiferromagnetischen Mott-Isolatoren (2022, 18. Mai), abgerufen am 19. Mai 2022 von https://phys.org/news/2022-05-remarkably-strong-pairing-carriers-bilayer.html

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