Новое исследование UBC в прямом и переносном смысле выявило дыры в однозонной физике Хаббарда - модели, которая использовалась для предсказания и расчета поведения высокотемпературных сверхпроводников в течение 20 лет.
Выводы являются первым убедительным доказательством, ставящим под сомнение модель при определенных условиях, и могут потребовать совершенно новых теоретических подходов к объяснению сверхпроводимости в купратных материалах, одной из выдающихся загадок в физике конденсированных сред.
«Однозонная физика Хаббарда использовалась в течение 20 лет, чтобы предсказать, как сверхпроводящие купратные материалы воспроизводят «дыры», оставшиеся после удаления электронов», - говорит Даррен Питс, ведущий автор исследования, проводивший исследование во время учебы в Университете Британской Колумбии. докторант. «Но теперь похоже, что подходы, лежащие в основе большей части теоретической работы в этой области, просто не работают во всех диапазонах сверхпроводимости, которые мы можем изучать. -причудливое поведение, или мы можем наблюдать совершенно новую физику, но в любом случае обычные теоретические подходы здесь не работают."
Выводы были опубликованы сегодня в журнале Physical Review Letters.
Купраты обычно действуют как изоляторы, но становятся сверхпроводниками, когда удаляются электроны - процесс, известный как «легирование» дырок в материале. Физики считают материал оптимально легированным, когда он достигает сверхпроводимости при самой высокой, наиболее доступной температуре.
Исследователи из Университета Британской Колумбии смогли разрушить однозонную модель Хаббарда, «передопировав» кристаллический купратный сверхпроводник за пределами его оптимального диапазона - уровень легирования, которого трудно достичь и который очень редко изучается. В то время как модель объясняет поведение электронов материала во время легирования, Питс и его команда обнаружили, что модель разваливается по мере удаления еще большего количества электронов.
"Исследуя электронные состояния с помощью рентгеновских лучей с перестраиваемой энергией, мы смогли показать, что в этой области электронные дырки размещаются совершенно по-другому, и что взаимодействие между дырками, уже находящимися в материале, полностью меняется."
Специальные образцы кристаллов, выращенные в Университете Британской Колумбии, позволили команде довести сверхпроводник до степени, редко возможной для большинства материалов. «С этим диапазоном примесей существует немного материалов, и из них, как правило, очень трудно выращивать кристаллы», - говорит Питс. «В случае с этими кристаллами оксид таллия, который является токсичным, выкипает при температурах, близких к температуре роста, если вы позволите это сделать. Так что требуется немало работы и заботы."
Обнаруженные в 1986 году высокотемпературные сверхпроводники представляют собой купраты - оксиды меди. Материалы, которые проявляют сверхпроводящие свойства при обычно низких температурах, часто превышающих 90 кельвинов, остаются загадкой, несмотря на пристальное внимание. А поскольку их сверхпроводящее состояние сохраняется при более управляемых температурах, становится возможным более широкое коммерческое применение.
Питс, в настоящее время занимающий постдокторскую степень в Киотском университете, проводил исследования на синхротроне с усовершенствованным источником света в Беркли под руководством профессора физики и астрономии Университета Британской Колумбии Дугласа Бонна и химика и физика Университета Британской Колумбии профессора Джорджа Савацки.
Работа была поддержана Канадским советом по естественным наукам и инженерным исследованиям, программой Canada Research Chairs, Синхротронным институтом Британской Колумбии и Канадским институтом перспективных исследований.