超导研究人员破解费米弧之谜

Josiah02

高温超导是现代物理学的一大谜团：有些材料在极低温度下导电时不会产生任何阻力。找到一种即使在室温下也能保持超导性的材料将引发一场技术革命。因此，世界各地的人们都在努力更全面地了解此类材料。
如今，维也纳技术大学迈出了重要的一步。一种特别有趣的高温超导体，称为铜酸盐，表现出非常令人惊讶的效果。在某些条件下，这些材料中的电子只能朝某些方向移动。允许的方向可以可视化为曲线，称为费米弧。
这些弧线可以借助激光可视化，激光专门将电子从材料中击出。维也纳技术大学固体物理研究所的一个团队现在已经成功开发出解释这种效应的理论和数值模型。它是由不同原子的电子之间的磁相互作用引起的。
关于高温超导的许多未解问题
对于超导性的解释已经存在很长时间了——1972 年，诺贝尔奖因所谓的“BCS 理论”而颁发，该理论可用于数学描述金属的超导性。
然而，这一理论在涉及即使在较高温度下也能实现超导性的特别有趣的材料时就失效了（尽管以人类的标准来看仍然很低）。这些材料包括铜酸盐——含铜化合物，是当今研究最多的超导材料之一。
“通过观察这些材料，我们发现了一系列无法​​解释的现象，这些现象往往密切相关，”与卡尔斯滕·赫尔德一起协调这项研究项目的亚历山德罗·托斯基说。其中一种现象就是“费米弧”。
可以向高温超导体中添加额外的电子，然后测量这些电子在材料中的运动方式——或者从量子物理的角度来说——这些电子可以呈现哪些量子态。
在进行此类测量时，研究人员发现了一个惊喜。“这种材料只允许某些方向的动量，”维也纳技术大学的 Matthias Reitner 说道。“这意味着电子只能朝某些方向移动。”
量子物理允许的状态位于一条在某些点突然结束的曲线（费米弧）上——这是一种极不典型的行为，无法用传统的理论模型来解释。
反铁磁棋盘图案
然而，维也纳技术大学的团队——保罗·沃姆、马蒂亚斯·赖特纳、卡尔斯滕·赫尔德和亚历山德罗·托斯基——现在已经成功地从理论上解释了这种令人惊讶的行为。他们开发了复杂的计算机模拟以及一个使用简单公式描述这一现象的分析模型。这项研究发表在《物理评论快报》上。
赖特纳说：“这种效应的关键在于反铁磁性相互作用。”反铁磁性意味着一个原子的磁方向最好与相邻原子的方向相反。
“在我们建模的铜酸盐中，这是一种长距离的反铁磁相互作用，”赖特纳说。“因此，不同原子上电子的磁矩在长距离上排列，使得电子的磁取向总是在一个方向和另一个方向之间交替——类似于棋盘，每个区域的颜色与其直接相邻区域不同。”
研究小组能够证明这种磁性模式随后导致电子出现奇怪的方向依赖行为。
沃姆说：“我们首次能够提出费米弧突然终止的理论模型，并解释为什么这种材料中的电子运动只能在某些方向上进行。”
“这一进展不仅有助于我们更好地理解高温超导体的一些未解之谜，而且还可以推动未来对具有类似非常规特性的材料的研究。”