一类新的超导体:通常被误解的名字导致了发现

磁铁在超导体上的悬浮

磁铁在超导体上的悬浮。资料来源:Jubobroff, Fbouquet, LPS3.0 CC冲锋队

如果物理学家齐淼·斯和艾米连·尼卡给2017年的轨道选择超导模型取了一个不同的名字,那么一个可以解释非常规超导如何出现在多种化合物中的新理论可能永远不会出现。

在上个月发表的一项研究中npj量子材料赖斯大学的Si和亚利桑那州立大学的Nica认为,一些铁基和重费米子材料中的非常规超导性来自一种被称为“多轨道单线对”的普遍现象。

在超导体中,电子形成成对并无阻力流动。物理学家无法完全解释在超导体中如何形成对子,在超导体中量子力会导致奇怪的行为。重费米子是另一种量子材料,其特征是电子的质量似乎比普通电子大数千倍。

Si和Nica提出了想法来解释碱性硒化铁的超常超导性。次年,他们将轨道选择模型应用于重质费米子材料,1979年在该材料中首次证明了非常规超导性。

Qimiao Si

斯奇淼,莱斯大学物理学和天文学哈里·c·和奥尔加·k·威斯教授,莱斯量子材料中心主任。资料来源:杰夫·菲特洛/莱斯大学

他们考虑用量子先驱沃尔夫冈泡利著名的一个相关数学表达式来命名这个模型,但最终还是决定给它命名d + d。这个名字指的是描述量子态的数学波函数。

赖斯的物理学和天文学教授哈利·c·和奥尔加·k·威斯(Harry C. and Olga K. Wiess)说:“这就像你有一对相互跳舞的电子。”“你可以通过s波、p波和d波通道来描述这种舞蹈,d+d指的是两种不同的d波融合为一种。”

Emilian Nica

Emilian Nica是亚利桑那州立大学物理学博士后研究学者。信贷:大肠Nica

在发表d+d模型后的一年里,Si做了很多关于这项工作的演讲,并发现听众经常把这个名字与“d+id”混淆,“d+id”是物理学家讨论了超过25年的另一种配对状态的名字。

“人们会在讲座结束后跟我说,‘你的d+id理论真的很有趣,’他们是想恭维我,但这种事发生得太频繁了,让我很恼火,”同时担任水稻量子材料中心(RCQM)主任的Si说。

2019年年中,Si和Nica在参观洛斯阿拉莫斯国家实验室时共进午餐,并开始分享d+d与d+id混淆的故事。

“这引发了一场讨论,即d+d是否可能以一种有意义的方式与d+id联系在一起,我们意识到这不是一个笑话,”妮卡说。

这种联系包括d+d对态以及因发现氦-3超流体而闻名的d+d对态。

“液态氦-3有两种超流体配对状态,一种叫做B相,另一种叫做A相,”Nica说。“从经验来看,B阶段类似于我们的d+d阶段,而A阶段几乎类似于d+id。”

当他们讨论数学时,这种类比变得更加有趣。物理学家使用矩阵计算来描述氦-3中的量子配对态,d+d模型也是如此。

“你有许多不同的方式来组织矩阵,我们意识到轨道空间的d+d矩阵就像描述自旋空间中氦-3配对的d+id矩阵的不同形式,”尼卡说。

Si说与超流体氦-3配对态的联系帮助他和Nica对铁基超导体和重费米子超导体的配对态进行了更完整的描述。

“随着埃米尔和我谈得更多,我们意识到超导配对的周期表是不完整的,”Si说,他指的是物理学家用来组织超导配对态的图表。

“我们利用对称性——比如晶格或自旋排列,或者时间向前和向后是否相等,这就是时间反转对称——来组织可能的配对状态,”他说。“我们发现,d+id可以在现有的列表中找到。你可以用元素周期表来构造它。但d+d不行。它不在周期表中,因为周期表中没有轨道

Si说轨道对于描述铁基超导体和重费米子等物质的行为很重要,在这些物质中“非常强的电子-电子关联起着至关重要的作用”。

“根据我们的工作,这个表需要扩大,包括轨道指数,”Si说。

参考:Emilian M. Nica和Si Qimiao的《多轨道单线对和d + d超导性》,2021年1月5日,npj量子材料
DOI: 10.1038 / s41535 - 020 - 00304 - 3

这项研究得到了亚利桑那州立大学(Arizona State University)、能源部(DE-SC0018197)、韦尔奇基金会(C-1411)和美国国家科学基金会(PHY-1607611)的启动资助。

RCQM是一个多学科研究项目,它利用了20多个水稻研究小组的优势和全球伙伴关系。

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