Emparejar o no emparejar:el estado ligado constituido por dos cargas móviles sin espín (izquierda) gana contra pares independientes de espín-carga (derecha) en su competencia por la energía más baja. Crédito:Bohrdt et al.
En los últimos años, muchos físicos y científicos de materiales han estado investigando la superconductividad, la desaparición completa de la resistencia eléctrica observada en algunos materiales sólidos. Hasta ahora, la superconductividad se ha observado principalmente en materiales que se enfrían a temperaturas muy bajas, generalmente por debajo de 20 K.
Sin embargo, algunos materiales exhiben superconductividad a altas temperaturas, por encima de 77 K. Muchos de estos materiales, también conocidos como superconductores de alta temperatura, son antiferromagnéticos.
Un aspecto de la superconductividad a alta temperatura que los físicos han intentado comprender mejor es la formación de pares de dopantes móviles en los antiferromagnetos, que se ha observado en los superconductores de alta temperatura antiferromagnéticos. A pesar de los extensos estudios en esta área, el mecanismo de emparejamiento microscópico que sustenta estos sistemas fuertemente correlacionados aún no se ha definido universalmente.
Investigadores del Centro de Ciencia y Tecnología Cuántica de Múnich (MCQST), la Universidad Ludwig Maximilan de Múnich, ETH Zürich y la Universidad de Harvard han presentado recientemente el emparejamiento de portadores de carga móviles de alta temperatura en aisladores Mott antiferromagnéticos dopados. Su artículo, publicado en Nature Physics , podría arrojar nueva luz sobre la formación de pares móviles de dopantes en antiferromagnetos.
"Dado que habíamos estado estudiando el problema del dopante único con gran detalle antes, el siguiente paso lógico fue estudiar pares de agujeros", dijo Fabian Grusdt, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio, a Phys.org. "Entonces, hace unos años, comenzamos a generalizar algunos de nuestros resultados anteriores al caso de dos dopantes y encontramos las primeras ideas analíticas sobre el fuerte mecanismo de emparejamiento que puede unir los agujeros. Sin embargo, rápidamente nos dimos cuenta de que la propiedad de exclusión mutua de dos agujeros en la configuración de una sola capa es un obstáculo significativo para el emparejamiento".
Mientras realizaban sus estudios, Grusdt y sus colegas finalmente se dieron cuenta de que los materiales bicapa podrían ser plataformas ideales para examinar la formación y el emparejamiento de portadores de carga, ya que en estos materiales el mecanismo de emparejamiento basado en cuerdas que observaron puede desarrollarse con toda su fuerza. Debido a sus propiedades y relevancia experimental, el equipo decidió estudiar estos materiales.
"Rápidamente nos dimos cuenta de que el mecanismo de emparejamiento que predijimos conduciría a energías de enlace significativamente mejoradas y, por lo tanto, sería directamente accesible para los actuales sistemas de átomos ultrafríos", dijo Grusdt. "Una vez que entendimos el nuevo mecanismo, su belleza y simplicidad conceptuales hicieron que nos preocupáramos por un tiempo de que los grupos competidores ya estuvieran siguiendo enfoques similares, pero al final nuestro trabajo entusiasta fue recompensado".
Emparejamiento basado en cadenas de cargas móviles en un antiferromagnético bicapa:los agujeros cargados que se mueven en capas opuestas de un paramagneto cuántico crean una cadena de enlaces antiferromagnéticos desplazados. Al moverse en un concierto fuertemente correlacionado, las cargas hacen un uso óptimo de su energía cinética, lo que finalmente conduce a un poderoso mecanismo de emparejamiento que puede realizarse experimentalmente a temperaturas sorprendentemente altas. Crédito:Bohrdt et al.
El nuevo mecanismo revelado por Grusdt y sus colegas ocurre primero en un régimen conceptualmente más simple, conocido como el régimen de "vinculación estricta". La idea principal detrás de este mecanismo es que dos cargas emparejadas solo "pagan" la energía necesaria para romper uno, en lugar de dos, enlaces antiferromagnéticos.
Al emparejar cargas de dos capas diferentes del material en el entorno de dimensiones mixtas utilizado por los investigadores, se puede suprimir la energía cinética de las cargas, que normalmente domina todas las escalas de energía. Por otro lado, en el "régimen de acoplamiento fuerte", conceptualmente más complejo, el "pegamento" necesario para emparejar dos cargas se deriva de una cadena de enlaces antiferromagnéticos desplazados.
"La creación de esta cuerda cuesta una energía magnética significativa, pero en general, las cargas obtienen suficiente energía cinética siguiendo los caminos de las demás", explicó Grusdt. "Para decirlo claramente:los dopantes móviles pueden moverse en un concierto fuertemente correlacionado y deslocalizarse lo suficiente como para dominar incluso una gran barrera de energía potencial que intenta liberarlos. En efecto, revelamos una intrincada interacción de escalas de energía cinética y magnética, que en última instancia permite una unión de energías que exceden sistemáticamente las realizables en el régimen de unión estrecha".
El trabajo reciente de Grusdt y sus colegas revela un mecanismo de emparejamiento notablemente fuerte que es tratable analíticamente en una amplia gama de parámetros. Este es un logro particularmente notable, ya que los estudios en esta área de la física generalmente se basan en simulaciones numéricas computacionalmente pesadas.
"A corto plazo, la implicación más significativa de nuestro trabajo es probablemente la viabilidad experimental de nuestro enfoque, que muy recientemente condujo a la observación experimental buscada durante mucho tiempo del emparejamiento en un sistema similar al de Hubbard de átomos ultrafríos", agregó Grusdt. "A largo plazo, creemos que nuestro enfoque puede motivar el diseño de nuevos materiales con temperaturas superconductoras significativamente mejoradas".
En el futuro, el estudio realizado por Grusdt y sus colegas y el mecanismo que revelaron podría allanar el camino hacia el diseño y la fabricación de materiales que muestren superconductividad a temperaturas significativamente más altas. Además, podría ayudar a mejorar la comprensión actual del mecanismo de emparejamiento subyacente a la superconductividad a alta temperatura.
"Ahora planeamos utilizar nuestros resultados recientes como escenario para futuros estudios de emparejamiento de agujeros en sistemas cuánticos fuertemente correlacionados", agregó Grusdt. "Por ejemplo, queremos considerar un revestimiento adicional de fonones para averiguar si mejoraría o disminuiría las energías de enlace".
En sus próximos estudios, los investigadores también planean estudiar más en profundidad los espectros de excitación de cargas emparejadas, para determinar qué tan relevantes son sus resultados para los mecanismos de emparejamiento descritos por el modelo sencillo de Fermi-Hubbard. Además, les gustaría investigar si estructuras aún más exóticas compuestas de cargas móviles y cadenas podrían formarse en regímenes más fuertemente frustrados del diagrama de fase.
© 2022 Red Ciencia X Cruce de bandas y diagrama de fase magnética del superconductor Ba2CuO4-δ
