Naukowiec z AGH współautorem artykułu na temat pseudoprzerwy opublikowanego w „Nature”

Laboratorium Wysokich Pól Magnetycznych (Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses – LNCMI) w Tuluzie we współpracy z dr. inż. Wojciechem Tabisiem z AGH, opublikowało w „Nature” pracę dotyczącą badań pseudoprzerwy (ang. pseudogap) w wysokotemperaturowym nadprzewodniku YBa₂Cu₃O₆+x (YBCO). Od lipca 2015 roku to już piąta praca w czasopismach Nature Publishing Group z udziałem pracowników Wydziału Fizyki i Informatyki Stosowanej.

 

Pseudoprzerwa jest częściowo otwartą przerwą energetyczną na poziomie Fermiego obserwowaną w stanie normalnym wysokotemperaturowych nadprzewodników, poniżej charakterystycznej temperatury T* i powyżej temperatury krytycznej Tc. Jest obecna w znacznej części diagramu fazowego T(p) (temperatura T – liczba dziur, tj. nośników prądu p) i powszechnie uważa się, że skrywa ona tajemnice mechanizmu niekonwencjonalnego nadprzewodnictwa. Nic więc dziwnego, że poszukiwanie źródła pseudoprzerwy stało się jednym z głównych tematów prac dotyczących nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego.

 

Zaobserwowanie fali gęstości ładunku (CDW) w obszarze pseudoprzerwy we wszystkich rodzinach domieszkowanych dziurowo nadprzewodników miedziowych zasugerowało, że źródłem pseudoprzerwy jest właśnie ta niewspółmierna z siecią krystaliczną samoorganizacja domieszkowych elektronów. Elektrony te są odpowiedzialne za zmianę topologii powierzchni Fermiego, tj. pojawienie się elektronowych kieszeni Fermiego przy małych koncentracjach domieszek, obserwowanych, między innymi, poprzez zmianę znaku współczynnika Halla w wysokich polach magnetycznych i niskich temperaturach. Ze względu na trudności z wytworzeniem takich pól dotychczasowe badania były ograniczone do wąskiego zakresu domieszkowania w kryształach YBCO.

 

W ostatnim roku w laboratorium LNCMI skonstruowano elektromagnes wytwarzający impulsowe pola magnetyczne osiągające 90 tesli. Tak wysokie pola magnetyczne umożliwiły przeprowadzenie badań efektu Halla w tym materiale w znacznie szerszym zakresie domieszkowania. Prezentowane w niniejszej pracy systematyczne badania charakteru nośników większościowych w YBCO pozwoliły precyzyjnie określić zakres domieszkowania, w którym istnieją elektronowe kieszenie Fermiego związane z falami gęstości ładunku. Wyniki badań jednoznacznie pokazały, że zmiany topologii powierzchni Fermiego występują przy gęstościach domieszek niższych niż zakres istnienia pseudoprzerwy (której występowanie kończy się w temperaturze zera bezwzględnego kwantowym punktem krytycznym p*). Zatem pseudoprzerwa istnieje w szerszym zakresie domieszek niż fale gęstości ładunku i nie jest ona konsekwencją przestrzennej modulacji ładunku. Zaobserwowano również, że zmiana gęstości nośników z wartości charakterystycznej dla metali do typowych wartości dla nisko-domieszkowanych nadprzewodników następuje w p*. Ponownie potwierdza to, że pseudoprzerwa nie jest związana z falami gęstości ładunku lecz z antyferromagnetycznym stanem izolatora Motta charakteryzującym stan niedomieszkowany w tych związkach.

 

Wynik ten będzie miał ogromny wpływ na dalsze teoretyczne modelowanie zjawiska niekonwencjonalnego nadprzewodnictwa.

 

Obszerniejszy opis badań tej grupy można znaleźć w „Quanta Magazine” w artykule „The Quantum Secret to Superconductivity”.