(A) Vista laterale della struttura cristallina di LixZrNCl. Le linee continue rappresentano la cella unitaria romboedrica. (B) Illustrazione schematica del dispositivo di controllo ionico basato su un'immagine al microscopio ottico reale di un fiocco di cristallo singolo ZrNCl e elettrodi modellati. I contatti stretti sono preparati per le misure di spettroscopia tunneling. Il PMMA copre l'intero dispositivo ad eccezione dell'area esterna del fiocco e dell'elettrodo di gate. L'elettrolita contenente LiClO4 viene fatto cadere sul dispositivo. La tensione di gate VG viene applicata all'elettrolita, e i cationi di litio e gli anioni ClO4 si muovono in modo opposto. I cationi di litio si intercalano dai lati del fiocco. (C) IDS corrente source-drain del dispositivo in operazione di intercalazione. Durante lo sweep in avanti di VG (rosso), IDS aumenta vertiginosamente, mentre il cambiamento di IDS è graduale nella scansione all'indietro (blu). VG viene analizzato a una velocità di 10 mV/sec. (D) Resistività trasversale antisimmetrica a 150 K per vari valori del contenuto di Li x. La pendenza lineare viene utilizzata per determinare x. Credito:Scienza, doi:10.1126/science.abb9860
Nei sistemi di fermioni appaiati, la superfluidità di Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) e la condensazione di Bose-Einstein (BEC) sono due limiti estremi dello stato fondamentale. In un nuovo rapporto in Scienza , Yuji Nakagawa e un team di scienziati in fisica applicata, elettronica quantistica, scienza della materia emergente e ricerca sui materiali in Giappone, riportato il comportamento di crossover dal limite BCS al limite BEC variando la densità del vettore in un superconduttore 2D drogato con elettroni, materiale stratificato ZrNCl contenente nitruro stratificato intercalato. Il team ha mostrato come il rapporto tra la temperatura di transizione superconduttiva e la temperatura di Fermi nel limite di bassa densità del vettore fosse coerente con il limite superiore teorico previsto nel regime di crossover BCS-BEC. I risultati hanno indicato come il semiconduttore drogato con gate ha fornito una piattaforma ideale per il crossover 2D BCS-BEC senza ulteriori complessità come quelle osservate in altri sistemi a stato solido.
Il crossover BCS-BEC
Il fenomeno dell'accoppiamento fermionico, e la condensazione sono fondamentali per una varietà di sistemi, comprese le stelle di neuroni, i superconduttori e i gas atomici ultrafreddi. Due casi limite per la condensazione fermionica sono descritti da due teorie distinte note come teoria di Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) per la quale il fisico John Bardeen et al. ricevette il premio Nobel nel 1972, e la condensazione di Bose-Einstein (BEC) sviluppata dai fisici Satyendra Nath Bose e Albert Einstein nel 1924. La teoria BCS descrive in dettaglio la superfluidità nel limite di accoppiamento debole o di alta densità in cui i singoli fermioni si condensano direttamente in uno stato coerente di coppie di fermioni - un tipo di condensazione tipicamente osservata nella superconduttività degli elettroni. Quest'ultimo si è verificato spesso durante l'accoppiamento forte, limite di bassa densità. All'inizio, le coppie di fermioni si comportano come bosoni e quindi subiscono il BEC allo stato superfluido in un fenomeno visto nei gas fermionici. I due limiti sono collegati continuamente attraverso un regime intermedio noto come crossover BCS-BEC.
Proprietà di trasporto di LixZrNCl. (A) Dipendenza dalla temperatura della resistività a diversi livelli di drogaggio. Le resistività in x =0,080 e 0,13 vengono moltiplicate per 5 e 10, rispettivamente. (B) Resistività normalizzata a 30 K. Ogni curva è spostata di 0,5, e le linee tratteggiate grigie indicano zero linee. (C) Resistività a x =0,011 che mostra la transizione BKT. La linea nera corrisponde alla formula Halperin-Nelson. Riquadro:resistività tracciata su una scala [d(ln ρ)/dT]–2/3. (D) Campo critico superiore Hc2 fuori piano in funzione della temperatura. Le linee tratteggiate sono estrapolazioni lineari a 0 K per ogni livello di doping. (E) Dipendenza dal drogaggio di Hc2 a 0 K in (D) (in alto) e lunghezza di coerenza nel piano ξ (in basso). Credito:Scienza, doi:10.1126/science.abb9860 
I fisici utilizzano gas atomici ultrafreddi e superconduttori come impostazioni sperimentali favorevoli per osservare il crossover BCS-BEC controllando la forza di accoppiamento tra i fermioni costituenti in modo quasi continuo. Nei gas atomici ultrafreddi la forza di accoppiamento può essere altamente modulata utilizzando le risonanze di Feshbach che attraversano il regime di crossover dal limite BEC. I ricercatori possono controllare la densità dei portatori e la forza di accoppiamento per entrare nel regime di crossover dal limite BCS all'interno dei superconduttori. Nei superconduttori, la forza di accoppiamento adimensionale può essere determinata utilizzando il gap superconduttore e l'energia di Fermi misurata dal fondo della banda di conduzione. Poiché il rapporto tra il gap superconduttore e l'energia di Fermi aumentava tramite interazioni di accoppiamento migliorate o densità di portatori ridotta, il sistema è entrato nel regime di crossover BCS-BEC, accompagnato da rapporti migliorati di temperatura critica superconduttiva e temperatura di Fermi. Per esempio, il niobio (Nb) e l'alluminio (Al) risiedono profondamente entro il limite BCS, mentre i superconduttori più esotici, inclusi i semiconduttori a base di ferro, si trovano vicino al regime di crossover BCS-BEC. Le forze di accoppiamento non sono tuttavia sufficientemente elevate da raggiungere il limite BEC oltre il regime di crossover a causa di attività complesse come bassa densità di portatori, forti effetti di correlazione elettronica e ordinamento magnetico che offuscano i fenomeni. Di conseguenza, i fisici devono ancora dimostrare chiaramente il crossover BCS-BEC durante lo studio dei superconduttori. In questo lavoro, Nakagawa et al. ha studiato il superconduttore Li X ZrNCl – un nitruro stratificato intercalato al litio per comprendere i fenomeni.
Indagare sul superconduttore
Spettroscopia a tunnel di LixZrNCl. (A) Spettri tunneling simmetrizzati e normalizzati a 2 K. Ad ogni livello di drogaggio, spettri a 55 K vengono utilizzati per la normalizzazione per rimuovere il bias e lo sfondo x-dipendente dopo la sottrazione della resistività del canale (15, 27). (B) Dipendenza dal drogaggio del gap superconduttore (in alto) e il suo rapporto con la temperatura critica Tc (in basso). La teoria BCS prevede 2∆/kBTc =3,52 (linea tratteggiata). I simboli aperti sono valori misurati in campioni policristallini (29). (C) Spettri di tunneling a x =0.0066 per diverse temperature normalizzate a 55 K senza simmetrizzazione. Riquadro:scansione della temperatura della conduttanza zero-bias (ZBC), dI/dV a V =0. La temperatura di apertura del gap T* è determinata da una caduta dell'1% di ZBC. (D) ∆ a x =0.0066 (cerchi) e 0.13 (diamanti) in funzione della temperatura. Le linee continue indicano la funzione gap di tipo BCS con Tc determinata dalla transizione resistiva. (E) Diagramma di fase di LixZrNCl. Il regime di temperatura tra Tc e T* rappresenta lo stato pseudogap. L'errore della densità del vettore è stimato da misurazioni in più sonde Hall. Riquadro:il rapporto tra T* e Tc. Credito:Scienza, doi:10.1126/science.abb9860.
Nel Li X superconduttore ZrNCl, il litio ha fornito elettroni al doppio strato di ZrN a nido d'ape, che formava una banda isolante in assenza di doping. I ricercatori avevano precedentemente condotto misurazioni a cristallo singolo di ZrNCl incontaminato utilizzando metodi di gating ionico. In lavori recenti, Nakagawa et al. ha introdotto una struttura del dispositivo modificata e ha notato un crossover dimensionale da superconduttori anisotropi tridimensionali (3D) a 2D diminuendo la densità dei portatori. In questo lavoro, il team ha dettagliato il comportamento della superconduttività di Li X ZrNCl in un regime di densità di portatori ancora più basso. Gli scienziati hanno utilizzato una struttura del dispositivo di controllo ionico e preparato elettrodi stretti per la spettroscopia tunnel nella regione del canale tra gli elettrodi di sorgente e di drenaggio e hanno coperto il dispositivo con un poli (metilmetacrilato) (PMMA) resist. Durante la tensione di gate (V G ) applicazioni, il team ha tracciato il processo di intercalazione attraverso la misurazione della corrente source-drain. La transizione resistiva nel regime altamente drogato fu brusca, mentre si è sostanzialmente ampliato nel regime leggermente drogato per rappresentare un crossover dimensionale da superconduttori anisotropi 3D a 2D.
Il crossover dimensionale
Il crossover dimensionale da 3D a 2D del superconduttore si è verificato a causa della ridotta densità di portatori per formare quindi un fenomeno unico e inaspettato per consentire il crossover. Il team ha attribuito la caratteristica all'impilamento romboedrico degli strati ZrNCl, dove l'unità conteneva tre strati. Utilizzando i calcoli della teoria del funzionale della densità, hanno confermato i risultati sperimentali. Durante il processo di raffreddamento, gli scienziati hanno eseguito la spettroscopia a tunnel, dove la densità di portatori decrescente corrispondeva a un accoppiamento più forte. Nakagawa et al. ha anche discusso gli stati pseudo-gap in diversi materiali e li ha confrontati con il sistema attuale. il Li X Il materiale ZrNCl ha offerto un banco di prova più semplice poiché il suo isolante di banda era privo di effetti di correlazione elettronica, ordini magnetici e onde di densità. Il team ha accreditato lo pseudo stato di gap osservato in Li X ZrNCl alla formazione di coppie preformate durante il fenomeno del crossover BCS-BEC. Hanno poi evidenziato uno studio di massa, dove misure NMR su Li . policristallino X I campioni di ZrNCl hanno mostrato uno stato pseudogap sul lato ad alto drogaggio della cupola superconduttiva.
Il crossover BCS-BEC nel superconduttore LixZrNCl. (A) Dipendenza dal drogaggio del rapporto tra gap superconduttore ed energia di Fermi (∆/EF) (in alto) e del rapporto tra distanza interparticellare e lunghezza di coerenza (1/kFξ) (in basso). L'area arancione rappresenta il regime di crossover BCS-BEC (22). I triangoli aperti sono valori misurati dalla misurazione del calore specifico (29). (B) Il diagramma di fase del crossover BCS-BEC. Temperatura di apertura del traferro T*, temperatura critica Tc e temperatura critica della transizione BKT TBKT sono normalizzate dalla temperatura di Fermi TF e tracciate come funzioni di ∆/EF con sfere rosse, diamanti blu scuro, e quadrati rosa, rispettivamente. La linea tratteggiata rappresenta il limite superiore teoricamente previsto, TBKT/TF =0,125. Riquadro:Tc/TF e TBKT/TF in funzione di 1/kFξ. (C) Grafico di Uemura:la temperatura critica rispetto alla temperatura di Fermi viene tracciata per vari superconduttori. Al diminuire di x, LixZrNCl si discosta dal limite BCS, arrivando alla regione di crossover dopo aver attraversato l'area ombreggiata, dove si trova la maggior parte dei superconduttori non convenzionali (8). La linea tratteggiata indicata come "BEC in 3D" rappresenta la temperatura critica nel limite BEC nei sistemi a gas Fermi 3D, Tc =0,218 TF (2). L'altra linea tratteggiata, indicato come "Limite in 2D", corrisponde al limite superiore generale di TBKT =0,125 TF in tutti i sistemi fermionici 2D. Credito:Scienza, doi:10.1126/science.abb9860. 
In questo modo, Yuji Nakagawa e colleghi hanno mostrato il crossover 2D BCS-BEC sintonizzando sistematicamente la forza di accoppiamento dei superconduttori in Li X Campioni di ZrNCl. Il team ha realizzato il crossover 2D BCS-BEC dovuto al crossover dimensionale dal 3D anisotropo al 2D riducendo la densità del vettore dei campioni. Hanno confrontato questo crossover con array di nuvole 2D di gas di Fermi, in cui anche la dimensionalità è stata influenzata dalla forza di accoppiamento. Ulteriori studi sul fenomeno aiuteranno a far progredire la comprensione della fisica della condensazione dei fermioni.
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