Unterbrechung der Zeitumkehrsymmetrie in Hochtemperatursupraleitern | 2020

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Anonim

"Symmetrien sind ein wichtiger Aspekt bei der Beschreibung der Natur", sagt Mikael Fogelström, Professor für theoretische Physik an der Chalmers University of Technology. "Eine Kugel ist rund und sieht gleich aus, unabhängig davon, wie wir sie drehen. Daher hat sie Rotationssymmetrie. Auf die gleiche Weise haben die meisten Materialien Symmetrien, die beschreiben, wie die Materialien aussehen und wie ihre Eigenschaften sind. Wenn eine oder mehrere Symmetrien bricht, signalisiert dies einen Phasenübergang in einen neuen Zustand. Wenn ein Material magnetisch wird, wird eine abstraktere Symmetrie, die sogenannte Zeitumkehrsymmetrie, gebrochen. "

Supraleitende Materialien leiten elektrischen Strom ohne Energieverlust. 1986 entdeckten Forscher, dass eine Familie von Perowskitmaterialien - die zweidimensionale Kupferoxidebenen aufweisen - bei relativ hohen Temperaturen supraleitend wird. Auch danach konnte durch Versuche relativ schnell festgestellt werden, dass die supraleitende Phase auch die Kristallsymmetrie brach und das Material diesbezüglich ungewöhnlich war.

Theoretiker überlegten, ob die Materialien auch die Zeitumkehrsymmetrie aufheben und spontane Magnetisierung erzeugen könnten. Experimente, die sich hauptsächlich auf den Elektronentransport bezogen, zeigten, dass dies der Fall war, während eine andere Kategorie von Experimenten zur direkten Messung der spontanen Magnetisierung keine Wirkung zeigte.

"Unsere Arbeit hat einen neuen Mechanismus zur Aufhebung der Zeitumkehrsymmetrie in Hochtemperatursupraleitern gefunden", sagt Tomas Löfwander, einer der Forscher hinter den neuen Ergebnissen. "Wir behaupten, dass dies wahrscheinlich bereits beobachtet wurde und dass sich die beiden Versuchsreihen nicht widersprechen."

Die Entdeckung der Chalmers-Forscher basiert auf einem Softwarepaket, das der Forscher Mikael Håkansson während seiner Diplomarbeit an der Abteilung für Angewandte Quantenphysik am MC2 entwickelt hat, um ein theoretisches Modell für kleine mesoskopische supraleitende Körner zu erstellen. Das Softwarepaket nutzt eine massive Parallelisierung der numerischen Arbeit, die dann in Grafikprozessoren oder GPUs verarbeitet werden kann.

"Der Zeitaufwand für die Durchführung der recht anspruchsvollen Berechnungen wurde erheblich reduziert, und wir konnten uns stärker auf die Physik konzentrieren und realistischere Systeme simulieren", erklärt Mikael Håkansson. "Gleichzeitig entwickelte ich ein Tool zur Verarbeitung und Visualisierung der großen Datenmengen, die die Software produzierte. Das Cover der September - Ausgabe von Naturphysik zeigt, wie der Elektronenzustand in der Energie entlang einer Oberfläche eines Hochtemperatursupraleiters verteilt wird, wenn er die Zeitumkehrsymmetrie gebrochen hat. "

Mit dem Rechenwerkzeug konnten die Chalmers-Forscher Fälle untersuchen, in denen der Ring eines supraleitenden Kristalls die Kraft der supraleitenden Phase beeinflusst. Ein periodisches Muster von Wirbeln bildet sich spontan in Form einer Kette entlang der Oberfläche, sobald die Temperatur unter einer Grenztemperatur liegt. Diese Wirbel verursachen wiederum einen spontanen magnetischen Fluss, der auf einer Längenskala von einigen Dutzend Nanometern seine Richtung wechselt.

"Wir glauben, dass neue Ergebnisse mit sogenannten Nanosquids, Magnetometern mit extrem guter Auflösung, eine sofortige experimentelle Überprüfung unserer Ergebnisse ermöglichen werden", sagt Mikael Fogelström.