La amplitud de la contribución de metales extraños en el efecto Hall en función de la composición xy la temperatura T, estimado a partir de la dependencia de campo de R_H. La línea punteada blanca es una guía para el ojo, enfatizando el límite de la región donde el metal extraño R_H es independiente de x. Por encima de la línea, el extraño metal Hall depende solo de la temperatura e independiente de la composición x, debajo de la línea estas contribuciones persisten a temperatura cero, sugiriendo una conexión directa con el estado fundamental superconductor. Crédito:Nature Physics (2020). Hayes y col.
Durante las ultimas décadas, Los investigadores han identificado una serie de materiales superconductores con propiedades atípicas, conocidos como superconductores no convencionales. Muchos de estos superconductores comparten las mismas propiedades de transporte de carga anómalas y, por lo tanto, se caracterizan colectivamente como "metales extraños".
Investigadores de la Universidad de California, Berkeley (UC Berkeley) y el Laboratorio Nacional de Los Alamos han estado investigando las propiedades de transporte anómalas de metales extraños, junto con varios otros equipos en todo el mundo. En un artículo reciente publicado en Física de la naturaleza , demostraron que en uno de estos materiales, BaFe 2 (Como 1− X PAG X ) 2 , la superconductividad y la criticidad cuántica están vinculadas por lo que se conoce como efecto Hall.
Por décadas, Los físicos no han podido comprender completamente la resistividad lineal T, una firma de metales extraños que a menudo se ha observado en muchos superconductores no convencionales. En 2016, El equipo de UC Berkeley y Los Alamos National Lab observó una relación de escala inusual entre el campo magnético y la temperatura en el superconductor BaFe. 2 (Como 1− X PAG X ) 2 .
Los fenómenos de escalamiento se observan típicamente justo antes de que un sistema pase de una fase a otra (por ejemplo, de líquido a gas), momentos llamados puntos críticos. Esto inspiró a los investigadores a investigar si un fenómeno similar también ocurrió en el efecto Hall, un fenómeno de transporte de carga relacionado.
"El comportamiento de escala surge porque cerca de un punto crítico, algunas propiedades se vuelven invariantes en escala, "James G. Analytis, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "Esto se debe a que hay fluctuaciones de fase en el punto crítico que ocurren en todas las escalas de duración y tiempo. El mismo fenómeno básico conduce a una opalescencia crítica en una transición líquido-gas, pero en el presente caso, las fluctuaciones tienen su origen en el principio de incertidumbre de Heisenberg. En nuestro estudio reciente, no observamos el comportamiento de escalado tan claramente como lo hacíamos antes, pero encontramos algo que no esperábamos ".
Para realizar sus experimentos, Analytis y sus colegas sintetizaron BaFe 2 (Como 1− X PAG X ) 2 cristales en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (LBNL) y luego los colocó bajo campos magnéticos altos en las instalaciones de campo alto del Laboratorio Nacional de Los Alamos, que es administrado por el National High Magnetic Field Lab (NHMFL) financiado por la NSF. En esta instalación de campo, los investigadores pueden recopilar mediciones durante una cantidad significativa de tiempo de imán.
"Es muy competitivo conseguir este tiempo de imán, que le permite medir hasta 65 T, "Analytis explica." Cada material debe medirse por separado, con múltiples muestras para asegurar la reproducibilidad. En todo, probablemente pasamos unas cuatro semanas de tiempo magnético para recopilar nuestros datos ".
Los experimentos llevados a cabo por Analytis y sus colegas arrojaron una serie de resultados interesantes. Primero, Los investigadores encontraron que el efecto Hall parece estar compuesto por dos 'términos' diferentes:uno convencional que simplemente está relacionado con la cantidad de electrones en el sistema, y un término de metal extraño que alcanza su punto máximo cuando BaFe 2 (Como 1− X PAG X ) 2 se acerca a su punto crítico cuántico.
"Separar el efecto Hall en dos contribuciones es bastante natural en los metales ferromagnéticos porque el sistema tiene dos contribuciones claras; los portadores en el metal y los espines ordenados magnéticamente, "Analytis explicó." La segunda contribución se llama efecto Hall anómalo. Lo que vemos parece ser análogo a un efecto Hall anómalo, pero enfatizo que no hay ferromagnetismo. Aquí, la contribución anómala parece surgir de fluctuaciones magnéticas cerca del punto crítico ".
Dos hechos clave ilustran el vínculo entre la criticidad cuántica y la superconductividad revelada por Analytis y sus colegas:el primero es que en metales extraños, la superconductividad ocurre en un diagrama de fase completo; el segundo es que el efecto Hall es esencialmente una medida del número de partículas (es decir, electrones o huecos) en un sistema.
Los investigadores observaron que el efecto anómalo observado en BaFe 2 (Como 1− X PAG X ) 2 a medida que se acerca a su punto crítico cuántico, solo cesa cuando lo hace la superconductividad. Es más, encontraron que la magnitud de temperatura cero del término anómalo del efecto Hall estaba correlacionada con la magnitud de la Tc superconductora. Esto sugiere que la contribución del extraño metal al efecto Hall es, De hecho, una medida de las entidades emergentes que son responsables de la superconductividad.
"Hubo una segunda observación relacionada con la invariancia de escala observada antes, "Analytis dijo." En una región del diagrama de fase conocida como el 'ventilador crítico' (la región que se cree que está dominada por fluctuaciones), el aporte de metal extraño depende solo de la temperatura, como si la temperatura estableciera la escala de las fluctuaciones en el sistema. Más importante, la extraña contribución de metal era independiente de la composición X, a pesar de que la contribución convencional cambió en un factor de tres o más; lo que significa que el extraño efecto Hall metálico no es simplemente una fuente adicional de carga, pero que surge del movimiento colectivo de todos los electrones a medida que se acercan a una transición de fase crítica cuántica ".
Al estudiar alta Tc, los investigadores suelen intentar comprender las excitaciones emergentes que son responsables de la superconductividad en un material. En superconductores convencionales, Ahora se sabe que estas excitaciones se caracterizan como simples electrones o huecos.
El estudio reciente de Analytis y sus colegas podría finalmente iluminar la naturaleza de las excitaciones responsables de la superconductividad en metales extraños. que hasta ahora ha permanecido esquivo. Es más, los investigadores han identificado una estrategia que se puede utilizar para medir si estas excitaciones están presentes en un material o no.
"Sería muy emocionante ver si las propiedades que presentamos se extienden a otros superconductores, "Analytis dijo." Ahora mismo, nos gustaría extender estas medidas a diferentes partes del diagrama de fase y a diferentes compuestos. Todos estos son experimentos largos y complicados que requieren una síntesis extensa y tiempo en laboratorios de alto campo (como el NHMFL), pero al menos sabemos exactamente lo que buscamos, ahora."
En sus próximos estudios, a los investigadores también les gustaría comenzar a buscar estrategias y herramientas que pudieran usarse para sondear directamente los grados de libertad de giro en superconductores no convencionales. De hecho, la mayoría de los métodos existentes tienden a examinar los grados de libertad de carga de un material, lo que limita considerablemente su generalización a través de diferentes materiales.
"El efecto Hall siempre los mezclará, y tuvimos suerte de que en estos materiales se separan en contribuciones 'convencionales' y 'metales extraños', ", Dijo Analytis." Pero para ver universalidades en diferentes clases de materiales, será importante desarrollar nuevas sondas con una sensibilidad más directa a la parte de 'metal extraño' del sistema ".
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