Quantenphasenübergänge koexistieren mit Supraleitung, und die supraleitende Phase schützt das quantenkritische Verhalten vor Unordnung

[Mobile Software: BoKeYuan] Physiker des Ames Laboratory haben erfolgreich Messungen eines eisenbasierten Supraleiters in einem wichtigen, aber schwer zugänglichen Bereich durchgeführt, in dem kritische Quantenfluktuationen die physikalischen Prozesse dominieren. Mithilfe einer neuen Sensortechnik ist es Forschern gelungen, Quantenphasenübergänge tief im supraleitenden Zustand präzise abzubilden. Dabei handelt es sich um ein Phänomen, das theoretisch eng mit der Supraleitung verknüpft ist. Der innovative Versuchsaufbau, ein sogenannter Stickstoff-Leerstellen-Magnetspiegel (NV), ist hochempfindlich, praktisch nichtinvasiv und präziser als frühere Versuchsaufbauten, die zur Erforschung ähnlicher physikalischer Phänomene in supraleitenden Materialien verwendet wurden.

Dies ist ein wirklich faszinierendes Ergebnis in der Supraleiterwissenschaft: ein klares Verständnis davon, wie Quantenphasenübergänge mit Supraleitung koexistieren können. „Es scheint, dass die supraleitende Phase das quantenkritische Verhalten vor den Auswirkungen von Unordnung schützt, was ziemlich bemerkenswert ist!“ sagte Prozorov, ein Physiker am Ames Laboratory. Die weitere Erforschung anderer Materialien mit dieser neuen Fähigkeit wird dazu beitragen, wichtige theoretische Fragen über die Ursprünge der unkonventionellen Supraleitung zu beantworten. Mit dem NV-Detektor konnte das Forschungsteam die London-Eindringtiefe, also die Tiefe, bis zu der das Magnetfeld von der Oberfläche des Supraleiters in den Supraleiter eindringt, präzise messen. Ihre Forschungsergebnisse wurden im New Journal of Physics veröffentlicht.
Im Tagebuch.

Diese Tiefe steht in direktem Zusammenhang mit der effektiven Elektronenmasse, einer Größe, die von Quantenfluktuationen beeinflusst wird und das Vorhandensein eines Quantenphasenübergangs signalisiert. Durch systematische Messung verschiedener Zusammensetzungen der Eisenpeptidverbindung Ba(Fe,Co)2As2, die von Paul Canfields Gruppe am Ames Laboratory gezüchtet wurde, konnte das Team das Vorhandensein von Quantenphasenübergängen kartieren, die normalerweise unter der supraleitenden „Kuppel“ verborgen bleiben, wenn die Temperaturen sich dem absoluten Nullpunkt nähern. Prozorov leitet ein Team von Wissenschaftlern im Kryolabor des Ames Laboratory, das das faszinierende Verhalten von Supraleitern untersucht und versucht, herauszufinden, wie verschiedene Quantenphänomene ihre Leistung beeinflussen.

Die Forscher entwickelten speziell einzigartige, hochpräzise und hochempfindliche experimentelle Techniken, um die optischen, magnetischen und elektrischen Signaturen dieser Verhaltensweisen zu messen. Der NV-Detektor, der von dem Wissenschaftler Naufer Nusran vom Ames Laboratory und dem Doktoranden Kamal Joshi von Grund auf neu entwickelt wurde, ist ein optisches Magnetometer, das den Quantenzustand einer besonderen Art von Atomdefekt in Diamanten ausnutzt, der als Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum (NV-Zentrum) bezeichnet wird. Nusran entwickelte außerdem eine neuartige Methode zur Verwendung von NV-Zentren zur Messung des unteren kritischen Felds, das zur London-Eindringtiefe führt, einem der grundlegendsten Parameter zur Beschreibung von Supraleitern.

Im Wesentlichen gibt es Aufschluss darüber, wie stabil ein Supraleiter ist, und die NV-Erkennung stellt einen großen Fortschritt in der experimentellen Supraleitung dar. Prozorovs Labor ist Teil einer internationalen Forschungskooperation, die den ersten klaren Beweis dafür gefunden hat, dass ein quantenkritischer Punkt (QCP) tief im supraleitenden Zustand erhalten bleibt. Die aktuelle Studie demonstriert dies mithilfe der neuen Methode und untersucht supraleitende Systeme mit einem hohen Maß an Unordnung. Zusammengenommen zeigen diese Studien, dass Quantenphasenübergänge und kritische Fluktuationen nicht nur mit der Supraleitung koexistieren, sondern durch sie sogar vor Unordnungseffekten geschützt sein können.

Dieses Ergebnis ist ein weiterer wichtiger Hinweis zur Lösung des Rätsels der Supraleiter auf Eisenbasis. Es bleibt jedoch noch viel zu tun, um die Wissenschaft der unkonventionellen Supraleiter vollständig zu erforschen. Dazu müssen neuere und ausgefeiltere Methoden der Quantensensorik entwickelt werden. Neue Methoden der Quantensensorik, die Quantenfluktuationen im Nanobereich untersuchen können, werden tiefergehende Untersuchungen konkurrierender und koexistierender Quantenphasen in Hochtemperatur-Supraleitern und vieler anderer Probleme der Materialwissenschaften ermöglichen. Diese neuen Fähigkeiten werden letztendlich die Grenzen und die Machbarkeit von Supraleitern und anderen Quantenmaterialien für technologische Anwendungen aufzeigen.

Bo Ke Yuan | Forschung/Von: Ames Laboratory

Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift New Physics veröffentlicht.

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