Supergeleiding bij hoge temperaturen: onderzoek naar kwadratuur-elektron-fononkoppeling

Nieuwe studie gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven (PRL) onderzoekt het potentieel van kwadratuur-elektron-fononkoppeling om de supergeleiding te verbeteren door kwantumdipoolvorming.

Elektron-fononkoppeling is de interactie tussen elektronen en trillingen in een netwerk dat fononen wordt genoemd. Deze interactie is cruciaal voor de supergeleiding (weerstandsvrije elektrische geleidbaarheid) in sommige materialen, omdat het de vorming van Cooper-paren vergemakkelijkt.

Cooper-paren zijn elektronenparen die via aantrekkelijke interacties aan elkaar zijn gebonden. Wanneer deze Cooper-paren condenseren tot een coherente toestand, verkrijgen we supergeleidende eigenschappen.

Elektron-fononkoppeling kan worden geclassificeerd op basis van de afhankelijkheid van de fononverplaatsing, wat de hoeveelheid roostertrilling betekent. Het meest voorkomende geval is wanneer de elektronendichtheid lineair gekoppeld is aan de roosterverplaatsingen, waardoor het rooster vervormt om elk elektron te omringen.

De onderzoekers wilden onderzoeken of de supergeleiding van materialen die kwadratische koppeling vertonen, verbeterd zou kunnen worden als de interactie-energie evenredig is met het kwadraat van de fononverschuiving.

Phys.org sprak met de co-auteurs van het onderzoek, Zhaoyu Han, Ph.D. Kandidaat aan Stanford University en Dr. Pavel Volkov, assistent-professor bij de afdeling natuurkunde, Universiteit van Connecticut.

Sprekend over zijn motivatie achter het voortzetten van dit onderzoek, zei Hahn: “Een van mijn dromen is het identificeren en voorstellen van nieuwe mechanismen die kunnen helpen bij het bereiken van supergeleiding bij hoge temperaturen.”

“De supergeleiding van gedoteerd strontiumtitanaat werd meer dan 50 jaar geleden ontdekt, maar het mechanisme ervan blijft een open vraag, waarbij klassieke mechanismen onwaarschijnlijk zijn. Daarom begon ik alternatieve elektron-fonon-koppelingsmechanismen te onderzoeken”, zei Dr. Volkov.

Lineaire koppeling en de uitdagingen ervan voor supergeleiding

Zoals eerder vermeld, kan koppeling worden geclassificeerd als lineair of kwadratisch.

Lineaire koppeling verwijst naar het scenario waarin de koppeling evenredig is met de verplaatsing van de fononen. Aan de andere kant hangt de kwadratische koppeling af van het kwadraat van de fononverschuiving.

Ze kunnen worden geïdentificeerd door het bestuderen van de symmetrie van materie, experimentele observaties en theoretische kaders. Hun effecten op de supergeleiding lijken echter heel verschillend te zijn.

Lineaire koppeling, die voorkomt in de meeste supergeleidende materialen, wordt uitgebreid bestudeerd vanwege de prevalentie ervan in veel materialen en vanwege het theoretische raamwerk ervan.

Conventionele supergeleiders met lineaire elektron-fononkoppeling hebben echter te maken met beperkingen. Deze materialen hebben een lage kritische temperatuur, de temperatuur waaronder een materiaal supergeleiding kan vertonen.

“De kritische temperaturen van deze supergeleiders liggen doorgaans onder de 30 Kelvin of -243,15 graden Celsius. Dit komt deels doordat de bindingsenergie en kinetische energie van het Cooper-paar sterk worden onderdrukt in respectievelijk de zwakke en sterke koppelingsregimes”, legt Hahn uit.

In het geval van zwakke koppeling zijn de elektron-fonon-interacties zwak vanwege de lage bindingsenergie. Bij sterke koppeling zijn de interacties sterker, wat leidt tot een toename van de effectieve massa van de Cooper-paren, wat leidt tot de onderdrukking van supergeleiding.

Onderdrukking belemmert echter alle pogingen om de kritische temperaturen in dergelijke materialen te verbeteren door alleen maar de koppelingssterkte te vergroten, wat onderzoekers ertoe aanzet materialen te onderzoeken met kwadratische elektron-fononkoppeling, wat nog niet goed wordt begrepen.

Holsteinmodel en kwantumpolen

Het Holstein-model is een theoretisch raamwerk dat wordt gebruikt om de interactie tussen elektronen en fononen te beschrijven. Het is eerder gebruikt om de algemene fysica van lineaire elektron-fononkoppeling te bestuderen.

De onderzoekers breidden het Holstein-model uit met kwadratuur-elektron-fonon-koppeling in hun onderzoek.

Het Holstein-model helpt bij het berekenen van grootheden zoals de bindingsenergie van Cooper-paren en de kritische temperatuur van supergeleiders.

In conventionele materialen leidt de binding van elektronen, gemedieerd door fononen, tot de vorming van Cooper-paren.

De interactie is lineair, wat betekent dat de koppelingssterkte toeneemt met de amplitude van de roostertrillingen. Deze interactie kan worden begrepen met behulp van principes van de klassieke natuurkunde en wordt goed ondersteund door experimentele waarnemingen zoals isotoopeffecten.

In het geval van kwadratische conjunctie is de zaak compleet anders. Door het Holstein-model uit te breiden met de tweede orde afhankelijkheid van de koppeling van de fononverplaatsing, hielden de onderzoekers rekening met de kwantumfluctuaties (willekeurige beweging) van de fononen en hun nulpuntsenergie (de energie van de fononen bij 0 K ).

Elektronen interageren met de kwantumfluctuaties van fononen en vormen een ‘kwantumdipool’. In tegenstelling tot lineaire koppeling ligt de oorsprong van aantrekkelijke interacties in pure kwantummechanica.

Supergeleiding bevindt zich in de limiet van zwakke en sterke koppeling

De onderzoekers ontdekten dat wanneer de elektron-fonon-interactie zwak is, het mechanisme waarmee elektronen paren om Cooper-paren te vormen, niet efficiënt is, vergelijkbaar met het lineaire geval. Dit resulteert in een lagere kritische temperatuur die kan worden beïnvloed door de massa van de ionen (isotoopeffect), maar op een andere manier dan in het lineaire geval.

Met andere woorden: de kritische (lage) temperatuur van een stof kan dramatisch veranderen bij verschillende atoommassa's.

Wanneer de elektron-fonon-interacties daarentegen sterk zijn, ontstaat de vorming van kwantumdipolen, die supergeleidend kunnen worden bij een temperatuur die wordt bepaald door hun effectieve massa en dichtheid.

Onder de kritische temperatuur kunnen de kwantumbipolaire condensatoren vrij bewegen zonder het kristal te verstoren. Meer beweging leidt tot een supergeleidende toestand, die stabieler is en een hogere kritische temperatuur heeft. In tegenstelling tot het lineaire mechanisme wordt de kwantumdipoolmassa slechts in geringe mate vergroot door koppeling, waardoor hogere kritische temperaturen mogelijk zijn.

“Ons werk laat zien dat dit mechanisme hogere overgangstemperaturen mogelijk maakt, althans voor een sterke koppeling. Wat ook goed is, is dat dit mechanisme geen speciale randvoorwaarden vereist om effectief te zijn, en dat er vrij realistische omstandigheden zijn waarin het dominant zal zijn”, zegt hij. uitgelegd. Dr. Volkov.

“Gebaseerd op de fundamentele fysische constanten die verband houden met vaste stoffen, zou een optimistische schatting van de kritische temperatuur die door dit mechanisme kan worden bereikt in de orde van 100 K kunnen liggen”, voorspelde Hahn.

Toekomstwerk

“Een mogelijke implicatie zou in de eerste plaats een verhoging van de overgangstemperatuur van de supergeleiding zijn. Supergeleiding hangt ook gevoelig af van de eigenschappen van de elektronen; daarom stellen we, om een ​​sterke koppeling te bereiken, het gebruik voor van speciaal ontworpen superroosters voor de elektronen,” Dr. Volkov legde het uit.

De onderzoekers stellen dat de volgende stap, in theorie, het vinden van het optimale koppelsterkteregime voor supergeleiding zou zijn. De onderzoekers hopen ook dat experimentatoren superroostermaterialen zullen onderzoeken die grote kwadratische elektron-fononkoppelingen hebben.

“Experimenteel gezien zou het creëren van superroosters via patronen of het gebruik van interfaces tussen gedraaide materialen een veelbelovende weg kunnen zijn naar het bereiken van het soort supergeleiding dat we gewend zijn”, zei Dr. Volkov.

Hahn merkte ook op dat “het belangrijk is om materialen met grote kwadratische elektron-fononkoppelingen te identificeren door middel van voorlopige berekeningen, aangezien dit niet systematisch is onderzocht.”