L'ampiezza del contributo strano del metallo nell'effetto Hall in funzione della composizione x e della temperatura T, stimato dalla dipendenza dal campo di R_H. La linea tratteggiata bianca è una guida per l'occhio, enfatizzando il confine della regione in cui il metallo strano R_H è indipendente da x. Sopra la linea lo strano metallo Hall dipende solo dalla temperatura e indipendentemente dalla composizione x, al di sotto della linea questi contributi persistono fino a temperatura zero, suggerendo una connessione diretta allo stato fondamentale superconduttore. Credito:Fisica della natura (2020). Hayes et al.
Negli ultimi decenni, i ricercatori hanno identificato una serie di materiali superconduttori con proprietà atipiche, noti come superconduttori non convenzionali. Molti di questi superconduttori condividono le stesse proprietà anomale di trasporto di carica e sono quindi collettivamente caratterizzati come "metalli strani".
Ricercatori dell'Università della California, Berkeley (UC Berkeley) e il Los Alamos National Laboratory hanno studiato le proprietà di trasporto anomale di strani metalli, insieme a molte altre squadre in tutto il mondo. In un recente articolo pubblicato su Fisica della natura , hanno dimostrato che in uno di questi materiali, BaFe 2 (Come 1- X P X ) 2 , la superconduttività e la criticità quantistica sono collegate da quello che è noto come effetto Hall.
Per decenni, i fisici non sono stati in grado di comprendere appieno la resistività T-lineare, una firma di strani metalli che è stata spesso osservata in molti superconduttori non convenzionali. Nel 2016, il team dell'UC Berkeley e del Los Alamos National Lab ha osservato un'insolita relazione di ridimensionamento tra il campo magnetico e la temperatura nel superconduttore BaFe 2 (Come 1- X P X ) 2 .
I fenomeni di scaling sono tipicamente osservati appena prima che un sistema passi da una fase all'altra (ad esempio da liquido a gas), momenti chiamati punti critici. Ciò ha ispirato i ricercatori a indagare se un fenomeno simile si è verificato anche nell'effetto Hall, un fenomeno di trasporto di carica correlato.
"Il comportamento di ridimensionamento si verifica perché vicino a un punto critico, alcune proprietà diventano invarianti di scala, "James G. Analytis, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Questo perché ci sono fluttuazioni di fase nel punto critico che si verificano a tutte le lunghezze e scale temporali. Lo stesso fenomeno di base porta all'opalescenza critica in una transizione liquido-gas, ma nel caso in esame, le fluttuazioni hanno la loro origine nel principio di indeterminazione di Heisenberg. Nel nostro recente studio, non abbiamo osservato il comportamento di ridimensionamento così chiaramente come abbiamo fatto prima, ma abbiamo trovato qualcosa che non ci aspettavamo".
Per condurre i loro esperimenti, Analytis e i loro colleghi hanno sintetizzato BaFe 2 (Come 1- X P X ) 2 cristalli al Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) e poi li ha posti sotto alti campi magnetici presso la struttura ad alto campo del Los Alamos National Lab, che è gestito dal National High Magnetic Field Lab (NHMFL), finanziato dalla NSF. In questa struttura di campo, i ricercatori possono raccogliere misurazioni per una quantità significativa di tempo magnetico.
"È altamente competitivo ottenere questo tempo magnetico, che permette di misurare fino a 65 T, " Analytis ha spiegato. "Ogni materiale deve essere misurato separatamente, con più campioni per garantire la riproducibilità. In tutto, probabilmente abbiamo impiegato circa quattro settimane di tempo magnetico per raccogliere i nostri dati."
Gli esperimenti condotti da Analytis e dai suoi colleghi hanno prodotto una serie di risultati interessanti. Primo, i ricercatori hanno scoperto che l'effetto Hall sembra essere composto da due diversi "termini":uno convenzionale che è semplicemente correlato al numero di elettroni nel sistema, e un termine strano-metallo che raggiunge il picco quando BaFe 2 (Come 1- X P X ) 2 si sta avvicinando al suo punto critico quantistico.
"Separare l'effetto Hall in due contributi è abbastanza naturale nei metalli ferromagnetici perché il sistema ha due chiari contributi; i portatori nel metallo e gli spin ordinati magneticamente, " Analytis ha spiegato. "Il secondo contributo è chiamato effetto Hall anomalo. Quello che vediamo sembra essere analogo ad un effetto Hall anomalo, ma sottolineo che non c'è ferromagnetismo. Qui, il contributo anomalo sembra derivare da fluttuazioni magnetiche in prossimità del punto critico."
Due fatti chiave illustrano il legame tra criticità quantistica e superconduttività svelato da Analytis e dai suoi colleghi:il primo è che nei metalli strani, la superconduttività si verifica in un intero diagramma di fase; il secondo è che l'effetto Hall è essenzialmente una misura del numero di particelle (cioè, elettroni o lacune) in un sistema.
I ricercatori hanno osservato che l'effetto anomalo osservato in BaFe 2 (Come 1- X P X ) 2 quando si avvicina al suo punto critico quantistico cessa solo quando lo fa la superconduttività. Inoltre, hanno scoperto che la grandezza a temperatura zero del termine anomalo dell'effetto Hall era correlata alla grandezza del superconduttore Tc. Ciò suggerisce che il contributo dello strano metallo all'effetto Hall è, infatti, una misura delle entità emergenti responsabili della superconduttività.
"C'è stata una seconda osservazione collegata all'invarianza di scala osservata prima, " Analytis ha detto. "In una regione del diagramma di fase nota come "ventilatore critico" (la regione che si pensa sia dominata dalle fluttuazioni), lo strano contributo del metallo dipende solo dalla temperatura, come se la temperatura determinasse la scala delle fluttuazioni nel sistema. Più importante, lo strano contributo di metallo era indipendente dalla composizione X, anche se il contributo convenzionale è cambiato di un fattore tre o più; il che significa che lo strano effetto Hall metallico non è semplicemente una fonte aggiuntiva di carica, ma che deriva dal movimento collettivo di tutti gli elettroni mentre si avvicinano a una transizione di fase critica quantistica."
Quando si studia Tc alto, i ricercatori in genere cercano di comprendere le eccitazioni emergenti responsabili della superconduttività in un materiale. Nei superconduttori convenzionali, queste eccitazioni sono ora note per essere caratterizzate come semplici elettroni o lacune.
Il recente studio di Analytis e dei suoi colleghi potrebbe in definitiva illuminare la natura delle eccitazioni responsabili della superconduttività nei metalli strani, che finora è rimasto inafferrabile. Inoltre, i ricercatori hanno identificato una strategia che può essere utilizzata per misurare se queste eccitazioni sono presenti o meno in un materiale.
"Sarebbe molto eccitante vedere se le proprietà che abbiamo svelato si estendono ad altri superconduttori, " Analytis ha detto. "In questo momento, vorremmo estendere queste misurazioni a diverse parti del diagramma di fase ea diversi composti. Questi sono tutti esperimenti lunghi e complicati che richiedono un'ampia sintesi e tempo in laboratori ad alto campo (come l'NHMFL), ma almeno sappiamo esattamente cosa stiamo cercando, Ora."
Nei loro studi successivi, i ricercatori vorrebbero anche iniziare a cercare strategie e strumenti che potrebbero essere utilizzati per sondare direttamente i gradi di libertà di spin nei superconduttori non convenzionali. Infatti, la maggior parte dei metodi esistenti tende ad esaminare i gradi di libertà della carica di un materiale, che limita notevolmente la loro generalizzabilità tra materiali diversi.
"L'effetto Hall li confonderà sempre, e siamo stati fortunati che in questi materiali, si separano in contributi "convenzionali" e "strani metalli", " Analytis ha detto. "Ma per vedere l'universalità tra le diverse classi di materiali, sarà importante sviluppare nuove sonde con una sensibilità più diretta alla parte "strano metallo" del sistema".
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