Accoppiare o non accoppiare:lo stato legato costituito da due cariche mobili senza rotazione (a sinistra) vince contro coppie di carica di rotazione indipendenti (a destra) nella loro competizione per l'energia più bassa. Credito:Bohrdt et al.
Negli ultimi anni, molti fisici e scienziati dei materiali hanno studiato la superconduttività, la completa scomparsa della resistenza elettrica osservata in alcuni materiali solidi. Finora la superconduttività è stata osservata principalmente in materiali raffreddati a temperature molto basse, tipicamente inferiori a 20 K.
Alcuni materiali, tuttavia, mostrano superconduttività ad alte temperature, superiori a 77 K. Molti di questi materiali, noti anche come superconduttori ad alta temperatura, sono noti per essere antiferromagneti.
Un aspetto della superconduttività ad alta temperatura che i fisici hanno cercato di capire meglio è la formazione di coppie di droganti mobili negli antiferromagneti, che è stata osservata nei superconduttori antiferromagneti ad alta temperatura. Nonostante gli studi approfonditi in quest'area, il meccanismo di accoppiamento microscopico alla base di questi sistemi fortemente correlati non è stato ancora universalmente definito.
I ricercatori del Centro di Monaco per la scienza e la tecnologia quantistica (MCQST), l'Università Ludwig Maximilan di Monaco, l'ETH di Zurigo e l'Università di Harvard hanno recentemente svelato l'accoppiamento ad alta temperatura di portatori di carica mobili in isolanti Mott antiferromagnetici drogati. Il loro articolo, pubblicato su Nature Physics , potrebbe gettare nuova luce sulla formazione di coppie mobili di droganti negli antiferromagneti.
"Dato che in precedenza avevamo studiato il problema del drogante singolo in dettaglio, il passo logico successivo è stato quello di studiare coppie di buchi", ha detto a Phys.org Fabian Grusdt, uno dei ricercatori che hanno condotto lo studio. "Quindi, alcuni anni fa abbiamo iniziato a generalizzare alcuni dei nostri risultati precedenti al caso dei due droganti e abbiamo trovato le prime intuizioni analitiche sul forte meccanismo di accoppiamento che può legare i buchi insieme. Tuttavia, ci siamo rapidamente resi conto che la proprietà di esclusione reciproca di due buchi nelle impostazioni monostrato è un ostacolo significativo per l'abbinamento."
Durante lo svolgimento dei loro studi, Grusdt e i suoi colleghi alla fine si sono resi conto che i materiali a doppio strato potrebbero essere piattaforme ideali per esaminare la formazione e l'accoppiamento di portatori di carica, poiché in questi materiali il meccanismo di accoppiamento basato su stringhe che hanno osservato può svilupparsi al massimo della sua forza. A causa delle loro proprietà e rilevanza sperimentale, il team ha deciso di studiare questi materiali.
"Ci siamo subito resi conto che il meccanismo di accoppiamento che avevamo previsto avrebbe portato a energie di legame significativamente migliorate e sarebbe quindi stato direttamente accessibile agli attuali sistemi di atomi ultrafreddi", ha affermato Grusdt. "Una volta compreso il nuovo meccanismo, la sua bellezza concettuale e semplicità ci ha fatto preoccupare per un po' che i gruppi concorrenti potessero già perseguire approcci simili, ma alla fine il nostro lavoro entusiasta è stato premiato."
Accoppiamento basato su stringhe di cariche mobili in un antiferromagnetico a doppio strato:i fori carichi che si muovono in strati opposti di un paramagnete quantistico creano una stringa di legame antiferromagnetico spostato. Muovendosi in un concerto fortemente correlato, le cariche fanno un uso ottimale della loro energia cinetica, che alla fine porta a un potente meccanismo di accoppiamento che può essere realizzato sperimentalmente a temperature sorprendentemente elevate. Credito:Bohrdt et al.
Il nuovo meccanismo svelato da Grusdt e dai suoi colleghi si verifica prima in un regime concettualmente più semplice, noto come regime di "vincolo stretto". L'idea principale alla base di questo meccanismo è che due cariche accoppiate "pagano" solo l'energia necessaria per rompere uno, anziché due, legami antiferromagnetici.
Accoppiando le cariche provenienti da due diversi strati del materiale nell'impostazione mista dimensionale utilizzata dai ricercatori, l'energia cinetica delle cariche, che tipicamente domina tutte le scale energetiche, può essere soppressa. D'altra parte, nel concettualmente più complesso "regime di accoppiamento forte", la "colla" richiesta per accoppiare due cariche deriva da una serie di legami antiferromagnetici spostati.
"La creazione di questa stringa costa una notevole energia magnetica, ma nel complesso le cariche guadagnano energia cinetica sufficiente seguendo i percorsi l'una dell'altra", ha spiegato Grusdt. "Per dirla chiaramente:i droganti mobili possono muoversi in un concerto fortemente correlato e delocalizzarsi sufficientemente per dominare anche una grande barriera di energia potenziale cercando di svincolarli. In effetti, abbiamo rivelato un'intricata interazione di scale di energia cinetica e magnetica, che alla fine consente un legame di energie che supera sistematicamente quelle realizzabili nel regime di stretta vincolo."
Il recente lavoro di Grusdt e dei suoi colleghi svela un meccanismo di accoppiamento straordinariamente forte che è analiticamente trattabile in un'ampia gamma di parametri. Si tratta di un risultato particolarmente degno di nota, poiché gli studi in quest'area della fisica si basano in genere su simulazioni numeriche computazionalmente pesanti.
"A breve termine, l'implicazione più significativa del nostro lavoro è probabilmente la fattibilità sperimentale del nostro approccio, che ha portato molto recentemente all'osservazione sperimentale a lungo ricercata dell'accoppiamento in un sistema Hubbard di atomi ultrafreddi", ha aggiunto Grusdt. "A lungo termine, riteniamo che il nostro approccio possa eventualmente motivare la progettazione di nuovi materiali con temperature superconduttive notevolmente migliorate."
In futuro, lo studio condotto da Grusdt e i suoi colleghi e il meccanismo che hanno svelato potrebbero aprire la strada alla progettazione e fabbricazione di materiali che mostrano superconduttività a temperature significativamente più elevate. Inoltre, potrebbe aiutare a migliorare l'attuale comprensione del meccanismo di accoppiamento alla base della superconduttività ad alta temperatura.
"Ora abbiamo in programma di utilizzare i nostri risultati recenti come base di partenza per ulteriori studi sull'accoppiamento di lacune in sistemi quantistici fortemente correlati", ha aggiunto Grusdt. "Ad esempio, vogliamo prendere in considerazione un'ulteriore medicazione fononica per scoprire se aumenterebbe o diminuirebbe le energie di legame."
Nei loro prossimi studi, i ricercatori hanno anche in programma di studiare gli spettri di eccitazione delle cariche accoppiate in modo più approfondito, per determinare quanto siano rilevanti i loro risultati per i meccanismi di accoppiamento descritti dal modello di Fermi-Hubbard color vaniglia. Inoltre, vorrebbero indagare se strutture ancora più esotiche composte da cariche mobili e stringhe potrebbero formarsi in regimi più fortemente frustrati del diagramma di fase. + Esplora ulteriormente
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