(A) Vista lateral de la estructura cristalina de LixZrNCl. Las líneas continuas representan la celda unitaria romboédrica. (B) Ilustración esquemática del dispositivo de puerta iónica basado en una imagen de micrografía óptica real de una escama de cristal único de ZrNCl y electrodos con patrón. Se preparan contactos estrechos para las mediciones de espectroscopia de tunelización. PMMA cubre todo el dispositivo excepto el área exterior de la escama y el electrodo de puerta. El electrolito que contiene LiClO4 se deja caer sobre el dispositivo. El voltaje de puerta VG se aplica al electrolito, y los cationes de litio y los aniones de ClO4 se mueven de manera opuesta. Los cationes de litio se intercalan desde los lados de la escama. (C) IDS de corriente de fuente-drenaje del dispositivo en operación de intercalación. Durante el barrido hacia adelante de VG (rojo), IDS aumenta abruptamente, mientras que el cambio de IDS es gradual en la exploración hacia atrás (azul). VG se barre a una velocidad de 10 mV / seg. (D) Resistividad transversal antisimetrizada a 150 K para varios valores del contenido de Li x. La pendiente lineal se usa para determinar x. Crédito:Ciencia, doi:10.1126 / science.abb9860
En los sistemas de fermiones emparejados, la superfluidez de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) y la condensación de Bose-Einstein (BEC) son dos límites extremos del estado fundamental. En un nuevo informe en Ciencias , Yuji Nakagawa y un equipo de científicos en física aplicada, electrónica cuántica, la ciencia de la materia emergente y la investigación de materiales en Japón, informó el comportamiento de cruce desde el límite BCS hasta el límite BEC variando la densidad de portadora en un superconductor 2D dopado con electrones, material en capas ZrNCl que contiene nitruro en capas intercalado. El equipo mostró cómo la relación entre la temperatura de transición superconductora y la temperatura de Fermi en el límite de densidad de portadora baja era consistente con el límite superior teórico esperado en el régimen de cruce BCS-BEC. Los resultados indicaron cómo el semiconductor dopado en compuerta proporcionó una plataforma ideal para el cruce 2D BCS-BEC sin complejidades adicionales como las observadas en otros sistemas de estado sólido.
El crossover BCS-BEC
El fenómeno del emparejamiento de fermiones, y la condensación son fundamentales para una variedad de sistemas, incluidas las estrellas neuronales, los superconductores y los gases atómicos ultrafríos. Dos casos limitantes para la condensación de fermiones son descritos por dos teorías distintas conocidas como teoría de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) para la cual el físico John Bardeen et al. recibió el premio Nobel en 1972, y la condensación de Bose-Einstein (BEC) desarrollada por los físicos Satyendra Nath Bose y Albert Einstein en 1924. La teoría BCS detalla la superfluidez en el límite de acoplamiento débil o de alta densidad donde los fermiones individuales se condensan directamente a un estado coherente de pares de fermiones - un tipo de condensación que se observa típicamente en la superconductividad de los electrones. Esto último ocurrió a menudo durante el acoplamiento fuerte, límite de baja densidad. En primer lugar, los pares de fermiones se comportan como bosones y luego se someten a la BEC al estado superfluido en un fenómeno que se observa en los gases fermiónicos. Los dos límites están conectados continuamente a través de un régimen intermedio conocido como cruce BCS-BEC.
Propiedades de transporte de LixZrNCl. (A) Dependencia de la resistividad con la temperatura a diferentes niveles de dopaje. Las resistividades en x =0.080 y 0.13 se multiplican por 5 y 10, respectivamente. (B) Resistividad normalizada a 30 K. Cada curva se desplaza 0,5, y las líneas discontinuas grises indican cero líneas. (C) Resistividad en x =0.011 que muestra la transición BKT. La línea negra se ajusta a la fórmula Halperin-Nelson. Recuadro:resistividad graficada en una escala [d (ln ρ) / dT] –2/3. (D) Campo crítico superior Hc2 fuera del plano en función de la temperatura. Las líneas discontinuas son extrapolaciones lineales a 0 K para cada nivel de dopaje. (E) Dependencia del dopaje de Hc2 a 0 K en (D) (arriba) y longitud de coherencia en el plano ξ (abajo). Crédito:Ciencia, doi:10.1126 / science.abb9860 
Los físicos usan gases atómicos ultrafríos y superconductores como escenarios experimentales favorables para observar el cruce BCS-BEC controlando la fuerza de acoplamiento entre los fermiones constituyentes de una manera cuasi-continua. En gases atómicos ultrafríos, la fuerza de acoplamiento se puede modular en gran medida utilizando resonancias de Feshbach que atraviesan el régimen de cruce desde el límite BEC. Los investigadores pueden controlar la densidad de portadores y la fuerza de acoplamiento para entrar en el régimen de cruce desde el límite BCS dentro de los superconductores. En superconductores, la fuerza de acoplamiento adimensional se puede determinar usando el espacio superconductor y la energía de Fermi medida desde la parte inferior de la banda de conducción. A medida que la relación entre la brecha superconductora y la energía de Fermi aumentó a través de interacciones de emparejamiento mejoradas o densidad de portadora reducida, el sistema entró en el régimen de cruce BCS-BEC, acompañado de relaciones mejoradas de temperatura crítica superconductora y temperatura de Fermi. Por ejemplo, niobio (Nb) y aluminio (Al) residen profundamente dentro del límite BCS, mientras que los superconductores más exóticos, incluidos los semiconductores a base de hierro, se encuentran cerca del régimen de cruce BCS-BEC. Sin embargo, las fuerzas de acoplamiento no son lo suficientemente altas para alcanzar el límite de BEC más allá del régimen de cruce debido a actividades complejas como la baja densidad de portadores, fuertes efectos de correlación de electrones y ordenamiento magnético que nublan los fenómenos. Como resultado, Los físicos deben demostrar claramente el cruce BCS-BEC durante el estudio de los superconductores. En este trabajo, Nakagawa y col. estudió el superconductor Li X ZrNCl:un nitruro en capas intercalado de litio para comprender los fenómenos.
Investigando el superconductor
Espectroscopia de tunelización de LixZrNCl. (A) Espectros de tunelización simetrizados y normalizados a 2 K. En cada nivel de dopaje, Los espectros a 55 K se utilizan para la normalización para eliminar el fondo dependiente de biasand x después de restar la resistividad del canal (15, 27). (B) Dependencia del dopaje de la brecha superconductora ∆ (arriba) y su relación con la temperatura crítica Tc (abajo). La teoría BCS predice 2∆ / kBTc =3.52 (línea discontinua). Los símbolos abiertos son valores medidos en muestras policristalinas (29). (C) Espectros de tunelización en x =0,0066 para diferentes temperaturas normalizadas a 55 K sin simetrización. Recuadro:escaneo de temperatura de conductancia de polarización cero (ZBC), dI / dV en V =0. La temperatura de apertura del espacio T * se determina mediante una caída del 1% de ZBC. (D) ∆ en x =0.0066 (círculos) y 0.13 (diamantes) en función de la temperatura. Las líneas continuas indican la función de espacio BCStype con Tc determinada por la transición resistiva. (E) Diagrama de fase de LixZrNCl. El régimen de temperatura entre Tc y T * representa el estado de pseudogap. El error de la densidad de portadores se estima mediante mediciones en múltiples sondas Hall. Recuadro:la relación entre T * y Tc. Crédito:Ciencia, doi:10.1126 / science.abb9860.
En el Li X Superconductor de ZrNCl, electrones suministrados por litio a la capa doble de ZrN en forma de panal, que formaba una banda aislante en ausencia de dopaje. Los investigadores habían realizado previamente mediciones de cristal único de ZrNCl prístino utilizando métodos de activación iónica. En un trabajo reciente, Nakagawa y col. introdujo una estructura de dispositivo modificada y notó un cruce dimensional de superconductores anisotrópicos tridimensionales (3D) a 2D al disminuir la densidad de portadores. En este trabajo, el equipo detalló el comportamiento de superconductividad de Li X ZrNCl en un régimen de densidad de portadores aún menor. Los científicos utilizaron una estructura de dispositivo de activación iónica y prepararon electrodos estrechos para la espectroscopia de túnel en la región del canal entre la fuente y los electrodos de drenaje y cubrieron el dispositivo con una resistencia de poli (metacrilato de metilo) (PMMA). Durante el voltaje de la puerta (V GRAMO ) aplicaciones, el equipo rastreó el proceso de intercalación a través de la medición de la corriente fuente-drenaje. La transición resistiva en el régimen altamente dopado fue aguda, mientras que se amplió sustancialmente en el régimen ligeramente dopado para representar un cruce dimensional de superconductores anisotrópicos 3D a 2D.
El cruce dimensional
El cruce dimensional de 3D a 2D del superconductor se produjo debido a la reducción de la densidad de portadora para, por lo tanto, formar un fenómeno único e inesperado para permitir el cruce. El equipo atribuyó la característica al apilamiento romboédrico de capas de ZrNCl, donde la unidad contenía tres capas. Usando cálculos de la teoría funcional de la densidad, confirmaron los resultados experimentales. Durante el proceso de enfriamiento, los científicos realizaron espectroscopía de tunelización, donde la densidad de portadores decreciente correspondía a un acoplamiento más fuerte. Nakagawa y col. también discutió los estados de pseudo-gap en varios materiales y los comparó con el sistema actual. El Li X El material de ZrNCl ofreció un banco de pruebas más simple ya que su aislante de banda estaba libre de efectos de correlación de electrones, Órdenes magnéticos y ondas de densidad. El equipo acreditó el estado de pseudo brecha observado en Li X ZrNCl a la formación de pares preformados durante el fenómeno de cruce BCS-BEC. Luego destacaron un estudio masivo, donde las mediciones de RMN en Li policristalino X Las muestras de ZrNCl mostraron un estado de pseudogap en el lado de alto dopaje de la cúpula superconductora.
El cruce BCS-BEC en LixZrNCl superconductor. (A) Dependencia del dopaje de la relación entre la brecha superconductora y la energía de Fermi (∆ / EF) (arriba) y la relación entre la distancia entre partículas y la longitud de coherencia (1 / kFξ) (abajo). El área naranja representa el régimen de cruce BCS-BEC (22). Los triángulos abiertos son valores medidos a partir de una medición de calor específica (29). (B) El diagrama de fase del crossover BCS-BEC. Temperatura de apertura de la brecha T *, la temperatura crítica Tc y la temperatura crítica de la transición de BKT TBKT se normalizan por la temperatura de Fermi TF y se representan como funciones de ∆ / EF con esferas rojas, diamantes azul oscuro, y cuadrados rosas, respectivamente. La línea discontinua representa el límite superior predicho teóricamente, TBKT / TF =0,125. Recuadro:Tc / TF y TBKT / TF como funciones de 1 / kFξ. (C) Gráfico de Uemura:la temperatura crítica frente a la temperatura de Fermi se traza para varios superconductores. A medida que x disminuye, LixZrNCl se aparta del límite BCS, llegar a la región de cruce habiendo atravesado el área sombreada, donde se encuentran la mayoría de los superconductores no convencionales (8). La línea discontinua indicada como "BEC en 3D" representa la temperatura crítica en el límite de BEC en los sistemas de gas Fermi 3D, Tc =0,218 TF (2). La otra línea discontinua, denotado como "Límite en 2D", corresponde al límite superior general de TBKT =0,125 TF en todos los sistemas fermiónicos 2D. Crédito:Ciencia, doi:10.1126 / science.abb9860. 
De este modo, Yuji Nakagawa y sus colegas mostraron un cruce 2D BCS-BEC ajustando sistemáticamente la fuerza de acoplamiento de los superconductores en Li X Muestras de ZrNCl. El equipo se dio cuenta del cruce 2D BCS-BEC debido al cruce dimensional del 3D anisotrópico al 2D al reducir la densidad de portadores de las muestras. Compararon este cruce con matrices de nubes 2D de gases Fermi, en el que también la dimensionalidad se vio afectada por la fuerza de acoplamiento. Los estudios adicionales sobre el fenómeno ayudarán a avanzar en la comprensión de la física de condensación de fermiones.
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