Spinonlar, bazı süper iletkenlerde elektronların şeritler boyunca eşleşmesine yardımcı olabilir

Süperiletkenler, elektriği belirli sıcaklıkların altında sıfır dirençle taşıyan malzemelerdir. Bu malzemelerin çoğu çok düşük sıcaklıklarda süperiletken hale gelirken bazıları daha yüksek sıcaklıklarda süperiletken aşamalara girer.

Yüksek sıcaklıkta süperiletkenlik son birkaç on yılda geniş çapta araştırılmış olsa da, bunun altında yatan fiziksel süreçler henüz net bir şekilde açıklanamamıştır. Bazı yüksek sıcaklık süperiletkenlerinde delikler (yani elektron boşlukları) şeritler halinde düzenlenebilir.

Pekin Hesaplamalı Bilim Araştırma Merkezi, Pekin Normal Üniversitesi ve Chongqing Üniversitesi’ndeki araştırmacılar yakın zamanda bu şerit organizasyonunun, eşleştirilmiş elektronların dik yönler arasında işaret değiştiren bir kuantum dalga modeline sahip olduğu ve genellikle dört loblu yonca yaprağı şekli olarak temsil edildiği d-dalga eşleşmesine olası katkısını araştırdılar.

Makaleleri şu tarihte yayınlandı: Fiziksel İnceleme Mektuplarıgüçlü bir şekilde ilişkili, delik katkılı malzeme modellerinde elektron eşleşmesinin şeritler etrafında nasıl ortaya çıkabileceğine dair olası yeni bir açıklama sunuyor.

“2005 yılında Bilim Dergisi yüksek sıcaklıkta süperiletkenlik mekanizmasını bilimdeki cevaplanmamış en önemli 100 sorudan biri olarak sıraladı,” Makalenin kıdemli yazarı Xue-Feng Zhang CEİD’a söyledi. “2021 ‘125 Soru’ koleksiyonunda yeniden yer aldı. Bu size bu bulmacanın ne kadar inatçı olduğunu anlatıyor. Ben ve iş arkadaşlarım 2023’ten beri bu konuya takıntılıyız.”

Çizgiler boyunca elektron eşleşmesinin çözülmemiş gizemi

Daha önceki deneyler ve sayısal simülasyonlar, bakır ve oksijen atomu katmanları içeren bakır oksit malzemeleri olan bakır oksitlerdeki süperiletkenlik ile şeritler arasında yakın bir ilişki olduğunu öne sürdü. Hesaplamalar, bu malzemelerin modellerinde elektron çiftlerinin delik bakımından zengin şeritler boyunca birikme eğiliminde olduğunu gösterdi. Fizikçi Jan Zaanen bu çizgileri şu şekilde tanımladı: “ücretli nehirler” yalıtım bölgeleriyle ayrılmıştır.

“Bir şeride bakmak ve eşleşmeyi görmek, bir orkestrayı dinlemek ve hangi enstrümanın çaldığını bilmeden melodinin güzel olduğunu bilmek gibidir.” dedi Zhang. “Amacımız basit ama korkutucuydu: şeridin içine bakın ve müzisyeni teşhis edin.”

Kuantum gaz mikroskobu adı verilen yeni ortaya çıkan bir teknik, güçlü bir şekilde etkileşime giren kuantum sistemlerini ve bunların altında yatan fiziği incelemek için yeni olanaklar açtı. Bu teknik esasen deneysel fizikçilerin optik kafeslerdeki bireysel atomların gerçek fotoğraflarını çekmelerine olanak tanır.

“Kendimize şunu sorduk: Aynı şeyi sayısal dalga fonksiyonlarımız için de yapabilir miyiz?” dedi Zhang. “Eğer bir şeridin yüksek çözünürlüklü anlık görüntüsünü alabilirsek, belki sonunda eşleştirme mekanizmasını iş başında yakalayabiliriz.”

Zhang ve meslektaşları, çalışmalarının bir parçası olarak, etkileşim halindeki elektronların kafes malzemelerinde ne kadar güçlü davrandığını açıklayan iki özel modeli incelemeye karar verdiler. Fermi-Hubbard modelinin ve tJ modelinin genişletilmiş bir versiyonu olan bu iki model, bakır bazlı yüksek sıcaklık süperiletkenlerini incelemek için yaygın olarak kullanılmıştır.

Fermi-Hubbard modeli, bir ızgara üzerinde konumlar arasında hareket eden elektronların aynı bölgeyi işgal eden diğer elektronları ittiğini açıklar. Öte yandan tJ modeli, elektronların bir alanı paylaşmadan bir ızgara boyunca nasıl hareket ettiğini ve bir kafes içindeki komşu elektronların dönüşlerinin nasıl etkileşime girdiğini açıklar.

Ekip, bu modelleri inceleyerek bazı yüksek sıcaklıktaki süperiletkenlerde gözlemlenen d-dalgası elektron eşleşmesinin altında yatan olası mikroskobik mekanizmayı belirlemeye çalıştı.

“İki modeli, zıt dönüşlere sahip elektronları temsil eden siyah ve beyaz taşların farklı yerlerde bulunduğu bir Go tahtası olarak düşünün.” Zhang’ı açıkladı. “Go taşları gibi, komşu boş kavşaklara atlayabilirler, ancak aynı konumu paylaşmaya zorlandıklarında birbirlerini güçlü bir şekilde iterler. Bunlar hala bakır oksit süperiletkenlerin temel fiziğini kapsayan en basit denklemlerdir.”

Hesaplamalı anlık görüntülerden kuantum davranışını yeniden yapılandırma

Zhang ve meslektaşları, yoğunluk matrisi renormalizasyon grubu (DMRG) adı verilen bir teknik kullanarak bakır oksit süperiletkenlerin temel fiziğini yakalayan denklemleri çözmeye çalıştı. DMRG, bir kuantum sisteminin matematiksel tanımını sıkıştırırken, durumunu doğru bir şekilde tanımlamak için en önemli olduğu düşünülen bilgileri korur.

“Ancak çalışmamızın asıl yeniliği, bu yaklaşımı kuantum gaz mikroskobu deneylerinden ilham alan sayısal bir teknik olan ‘mükemmel örnekleme’ ile birleştirmekti.” dedi Zhang. “Bu teknik, tıpkı bir deneycinin laboratuvarda atomları fotoğraflaması gibi, kuantum durumunun anlık fotoğraflarını çekmemize olanak tanır.”

Topladıkları anlık görüntüleri anlamlandırmak için araştırmacılar, daha önce geliştirdikleri Kuantum Renkli Sicim Modeli adı verilen bir teorinin güncellenmiş bir versiyonunu kullandılar. Bu teori, süperiletkenliğe bağlı bir şeridi, üç farklı boncuk türünden oluşan dalgalanan bir ip olarak tanımlar. Bunlar arasında spinonlar (manyetik kusurlar), holonlar (yük kusurları) ve çift delikler (şeritteki iki bitişik boş elektron bölgesini temsil eden varsayımsal yarı parçacıklar) bulunur.

“Bu boncukların nasıl hareket ettiğini ve etkileşime girdiğini takip ederek dalga fonksiyonunu yeniden yapılandırabilir ve eşleşmenin tam olarak nasıl ortaya çıktığını görebiliriz.” dedi Zhang.

“En çarpıcı bulgumuz, bir şerit içindeki eşleşmenin, spinon teklileri adı verilen nesneler tarafından taşındığıdır; bu nesneler, bir yin-yang sembolünün birbirine kenetlenen iki yarısı gibi birbirine uyan zıt kiraliteye sahip manyetik kusur çiftleridir: doğası gereği zıttır, ancak istikrarlı, tam bir bütün oluşturur. Bunlar sıradan Cooper çiftleri değil; bunlar şeridin içinde yaşayan topolojik kusurlardır. Eşleştiklerinde, doğal olarak d-dalgası süperiletkenliğinin alternatif artı-eksi desen karakteristiğini yaratırlar.”

Ekip, teorik tahminlerini test etmek için sayısal bir test gerçekleştirdi. Bu hesaplamada spinonları bağlayan manyetik etkileşimi kapattılar.

Bunun teklilerin çözülmesine ve d dalgası modelinin kaybolmasına neden olduğunu buldular. Ancak manyetik etkileşimi tekrar açtıklarında eşleşme yeniden ortaya çıktı.

“Bu nedenselliğin güçlü bir kanıtıdır; sadece güzel bir tesadüf değil,” dedi Zhang. “Daha geniş anlam, şeritlerin sadece süperiletkenlik için pasif arka planlar olmadığıdır; temel eşleştirme birimlerini üreten aktif fabrikalardır.

“Bu, eşleştirmenin malzeme genelinde eşit şekilde gerçekleştiğinin varsayıldığı eski senaryolara meydan okuyor. Aynı zamanda deneycilere somut bir tahmin de veriyor: hem kuantum simülatörleri hem de taramalı tünelleme mikroskobu deneyleri bu spinon çiftlerinin imzalarını gözlemleyebilir.”

D dalgası eşleştirmesine yönelik yeni bir olası yol

Bu çalışma, yüksek sıcaklıkta süperiletkenliğin kesin bir açıklamasını sunmasa da, tek bir dalgalanan şeritte elektron çiftlerinin oluşumunu ve bunların kuantum korelasyonlarının d-dalgası eşleşmesinin işaret değiştiren model karakteristiğini nasıl üretebileceğini açıklayabilen mikroskobik bir mekanizmanın ana hatlarını çiziyor.

“Bu yerel dansı küresel bir süperiletken duruma (pek çok şeritte ve sınırlı sıcaklıkta) dönüştürmek hâlâ tırmanılması gereken bir sonraki dağdır.” dedi Zhang. “Yine de artık dansçının neye benzediğini bildiğimize inanıyorum.”

Şu ana kadar ekibin analizi öncelikle delik katkılı malzemelerde tek bir şerit içinde neler olduğunu araştırdı. Bir sonraki adım, birden fazla şerit olduğunda ne olacağını araştırmak olacaktır.

“Makalemizde, spinon singlet’lerinin bir şeritten diğerine tünel açabildiğine dair ipuçlarını zaten görüyoruz; bu, yerel eşleşmeyi küresel süperiletkenliğe dönüştüren köprü olabilir.” Zhang’ı açıkladı. “Bu şeritler arası tutarlılığın ayrıntılı bir şekilde haritasını çıkarmayı planlıyoruz.”

Zhang ve meslektaşları artık tahminlerini test etmek için deneysel fizikçilerle birlikte çalışıyorlar. Özellikle, teorik çerçevelerinin tahminlerini, soğuk atom kuantum simülatörlerini, ultra soğuk atomların optik kafeslerde düzenlendiği laboratuvar sistemlerini kullanarak, etkileşim halindeki elektronların şeritler halinde oluşumu da dahil olmak üzere davranışını taklit etmek için test etmek istiyorlar.

“Eğer bir deneyci optik bir kafes içindeki bir spinon tekliyi fotoğraflayabilirse, tüm senaryoyu doğrulayan şey dumanı tüten silah olacaktır.” Zhang’ı ekledi.

“Teori ve deney arasındaki bu konuşmanın önümüzdeki birkaç yıl içinde hızla hızlanacağı konusunda iyimseriz. Dahası, son ön baskımızda, taramalı tünelleme mikroskobu deneyinde pozitif ve negatif enerji modelleri arasında 2-kafes-sabit hafif bir geçişin tahminini yapıyoruz. Bu tahminle ilgili olarak deney gruplarından ön olumlu geri bildirimler aldık.”