La dipendenza dalla temperatura del quadrato inverso della profondità di penetrazione magnetica, che è proporzionale alla densità del superfluido, misurata con il metodo dell'oscillatore a diodo tunnel. Le linee mostrano adattamenti ai dati utilizzando vari modelli, dove si può vedere che il modello s¬-wave con un gap completamente aperto non è d'accordo con i dati, ma il modello nodale 's+p' può ben descrivere i risultati. Credito:Shan et al.
Nella stragrande maggioranza dei materiali superconduttori, Le coppie di Cooper hanno la cosiddetta parità pari, il che significa essenzialmente che la loro funzione d'onda non cambia quando gli elettroni si scambiano le coordinate spaziali. Al contrario, è stato scoperto che alcuni superconduttori non convenzionali contengono coppie di Cooper a parità dispari. Questa qualità rende questi materiali non convenzionali particolarmente promettenti per le applicazioni di calcolo quantistico.
Studi precedenti avevano previsto che i superconduttori non centrosimmetrici, che hanno una struttura cristallina senza centro di inversione, potrebbe esibire proprietà uniche e insolite. Negli ultimi anni, i superconduttori non centrosimmetrici sono diventati un argomento di ricerca popolare a causa della struttura delle coppie di Cooper contenute al loro interno, che hanno un misto di parità pari e dispari.
CaPtAs è un nuovo superconduttore non centrosimmetrico scoperto dai ricercatori della Zhejiang University. Insieme agli scienziati del Paul Scherrer Institut e di altri istituti in tutto il mondo, questi ricercatori hanno recentemente condotto uno studio sulla superconduttività non convenzionale in questo composto. La loro carta, pubblicato in Lettere di revisione fisica , offre prove che nel suo stato superconduttore, CaPtAs mostra contemporaneamente sia la superconduttività nodale che la rottura della simmetria di inversione del tempo (TRS).
"La struttura cristallina di CaPtAs era nota per essere non centrosimmetrica, e quindi, abbiamo pensato che sarebbe stato interessante determinare se è anche un superconduttore, " Huiqi Yuan, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "In un documento pubblicato all'inizio di quest'anno, abbiamo riportato che CaPtAs è davvero un superconduttore non centrosimmetrico, che diventa superconduttore al di sotto di 1,5 K. Abbiamo anche visto accenni di insolite proprietà superconduttive, vale a dire un gap nodale superconduttore."
Le osservazioni raccolte nel loro lavoro precedente hanno ispirato Yuan e i suoi colleghi a raccogliere misurazioni avanzate che avrebbero permesso loro di esaminare più in profondità le proprietà superconduttive non convenzionali dei CaPtA. L'obiettivo chiave del loro recente studio era determinare se quando CaPtAs è nel suo stato superconduttore, la simmetria di inversione del tempo è rotta.
I ricercatori hanno anche misurato la profondità di penetrazione magnetica del superconduttore non centrosimmetrico a temperature molto basse, per comprendere meglio la struttura del suo gap superconduttore. Più specificamente, volevano determinare se il gap superconduttore del materiale presentasse i cosiddetti "nodi, " punti in cui l'ampiezza del gap è uguale a zero.
"Nel nostro studio, l'evidenza della rottura della simmetria di inversione del tempo derivava dall'uso della tecnica di rilassamento/rotazione dello spin del muone (μSR), mentre le prove per la superconduttività nodale provenivano sia da μSR, il metodo dell'oscillatore a diodo tunnel (TDO), così come il calore specifico, "ha detto Yuan.
Il rilassamento/rotazione dello spin muonico (μSR) è un metodo potente per misurare con precisione i campi magnetici all'interno di un materiale, che usa anti-muoni carichi positivamente come sonda. Una caratteristica della rottura della simmetria di inversione del tempo in un superconduttore è che campi magnetici molto piccoli compaiono spontaneamente quando il superconduttore viene raffreddato alla sua temperatura critica. μSR è una delle poche tecniche esistenti abbastanza sensibile da rilevare campi magnetici così piccoli all'interno dei materiali.
"Abbiamo impiantato i muoni spin polarizzati nel superconduttore, " Ha spiegato Tian Shang del Paul Scherrer Institut. "I muoni positivi vengono generati in strutture di misurazione specializzate dalla collisione di un fascio di protoni con un bersaglio di carbonio. I nostri esperimenti μSR sono stati eseguiti presso l'Istituto Paul Scherrer in Svizzera."
I muoni sono particelle elementari altamente instabili che decadono rapidamente, esibendo un'emivita di 2.2µs, in un positrone e due neutrini. Lo spin di un muone è tipicamente influenzato dai campi magnetici all'interno di un materiale. Perciò, l'impianto di muoni all'interno di un materiale consente ai ricercatori di ricostruire la natura di questi campi magnetici, semplicemente misurando la distribuzione dei positroni emessi nel tempo.
"In particolare, si conta tipicamente il numero di positroni alle estremità opposte del campione, e come la differenza tra questi numeri, l' asimmetria, " i cambiamenti nel tempo possono essere utilizzati per rilevare i minuscoli campi magnetici extra quando la simmetria di inversione del tempo è rotta, "Ha detto Shangai.
Il termine fisico "superconduttività nodale" si riferisce alla natura del gap energetico all'interno di un superconduttore, che è l'energia di soglia richiesta per separare una coppia di Cooper. Nei superconduttori nodali, questo gap energetico è zero per le coppie di Cooper che si muovono in determinate direzioni. Ciò significa che l'energia termica può rompere le coppie di Cooper anche a temperature molto basse.
L'asimmetria in funzione del tempo da misure di rilassamento di spin muonico di CaPtAs in campo zero (ZF) e un piccolo campo applicato lungo la direzione iniziale di spin del muone (LF). L'asimmetria ZF diminuisce più rapidamente con il tempo al di sotto della transizione superconduttiva a 0,02 K che a 2,5 K, che mostra che ci sono campi magnetici extra che emergono nello stato superconduttore, che è una firma di simmetria di inversione temporale rotta. Credito:Shan et al.
La superconduttività nodale può quindi essere rilevata contando la quantità di coppie di Cooper all'interno di un materiale. Se il numero di coppie di Cooper all'interno di un superconduttore continua ad aumentare man mano che la temperatura si abbassa molto al di sotto della temperatura critica del superconduttore, ci si può aspettare che il materiale mostri superconduttività nodale.
"Abbiamo misurato la profondità di penetrazione magnetica di CaPtAs in funzione della temperatura fino a temperature molto basse (inferiori a 0,1 K) utilizzando due metodi, da cui è possibile determinare come varia il numero di coppie Cooper con la temperatura, " Michael Smidman della Zhejiang University ha detto. "Un metodo per farlo è μSR, dove viene applicato un campo magnetico al materiale. Poiché CaPtAs è un superconduttore di tipo II, il campo penetrerà nel materiale tramite linee di flusso magnetico per formare un reticolo di vortici e la distribuzione di queste linee di flusso può essere rilevata utilizzando μSR. La distribuzione dipende dalla profondità di penetrazione magnetica, quindi la quantità di coppie Cooper è quindi facile da determinare."
Yuan e i suoi colleghi hanno anche utilizzato un ulteriore strumento di misurazione noto come oscillatore a diodo tunnel (TDO). I TDO sono strumenti molto sensibili per misurare la dipendenza dalla temperatura della profondità di penetrazione magnetica.
Essenzialmente, i ricercatori hanno posizionato CaPtAs in una bobina, che fa parte di un circuito LC. La corrente in questa bobina genera un campo magnetico molto piccolo che non può penetrare in profondità nel superconduttore a causa del cosiddetto effetto Meissner, tuttavia può ancora raggiungere una certa distanza sotto la sua superficie.
"Questa distanza è caratterizzata da una quantità nota come profondità di penetrazione magnetica, " ha spiegato Yuan. "Se la profondità di penetrazione del superconduttore cambia con la temperatura, quindi cambia anche l'induttanza della bobina, e questo può essere rilevato misurando la variazione della frequenza di risonanza del circuito LC."
Applicando queste tecniche ai CaPtA superconduttori, i ricercatori hanno raccolto prove della sua superconduttività nodale. Più specificamente, quando hanno calcolato il numero di coppie Cooper nel materiale, hanno scoperto che i loro risultati potrebbero essere spiegati da modelli in cui il divario nel superconduttore è nodale.
"Ciò era particolarmente evidente dal fatto che quando la temperatura diminuiva, la densità del superfluido continuava ad aumentare, " ha detto Smidman. "Se CaPtAs fosse un superconduttore completamente gappato, la densità del superfluido si saturerebbe alle basse temperature."
Mentre molti ricercatori avevano precedentemente previsto la presenza di caratteristiche superconduttive insolite nei superconduttori non centrosimmetrici, questo non è sempre stato confermato sperimentalmente. Studi precedenti hanno identificato una manciata di superconduttori magnetici non centrosimmetrici con una superconduttività che differisce chiaramente dai meccanismi convenzionali elettrone-fonone delineati dalla teoria di Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS), che si manifestava in fenomeni fisici insoliti. Però, è stato scoperto che molti superconduttori non centrosimmetrici privi di ioni magnetici mostrano proprietà simili alle loro controparti centrosimmetriche convenzionali.
"In alcuni casi, simmetria di inversione temporale rotta si trova nei superconduttori non centrosimmetrici, eppure le loro altre proprietà sono ancora molto simili ai superconduttori convenzionali, " Yuan ha detto. "In particolare, generalmente hanno spazi superconduttori completamente aperti. I nostri risultati forniscono prove della superconduttività nodale e della rottura della simmetria di inversione del tempo nei CaPtA, e quindi ci permettono di tracciare un collegamento tra quelli che erano generalmente tipi nettamente diversi di superconduttori non centrosimmetrici".
Yuan e i suoi colleghi hanno scoperto che la superconduttività nodale in CaPtAs assomiglia a quella osservata nei superconduttori magnetici non centrosimmetrici. Ciò significa che CaPtAs potrebbe essere un ottimo candidato per studiare l'accoppiamento misto singoletto-tripletta che ci si aspetterebbe di trovare in questi sistemi.
Lo studio offre anche preziose informazioni sui possibili meccanismi alla base della rottura del TRS in un'ampia gamma di superconduttori. Nel futuro, altri gruppi di ricerca potrebbero trarre ispirazione dal loro lavoro e utilizzare i CaPtA per studiare i meccanismi della superconduttività topologica e del TRS.
"Anche se abbiamo prove di uno stato superconduttore insolito in CaPtAs con superconduttività nodale e simmetria di inversione temporale rotta, la struttura dettagliata del gap superconduttore e i meccanismi sottostanti che danno origine a questi comportamenti devono ancora essere determinati, Yuan ha aggiunto. "Nei nostri prossimi studi, ci interessa identificare una forma specifica dell'accoppiamento superconduttore che possa spiegare entrambi questi risultati, e poi capire a livello microscopico cosa c'è nei CaPtA che determina questa nuova superconduttività. Vorremmo anche determinare se la superconduttività topologica può essere realizzata in CaPtAs".
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