Appariement remarquablement fort des porteurs de charge dans les isolants Mott antiferromagnétiques bicouches

Appairer ou ne pas appairer :L'état lié constitué de deux charges mobiles sans spin (à gauche) l'emporte sur les paires spin-charge indépendantes (à droite) dans leur compétition pour l'énergie la plus faible. Crédit :Bohrdt et al.

Au cours des dernières années, de nombreux physiciens et spécialistes des matériaux ont étudié la supraconductivité, la disparition complète de la résistance électrique observée dans certains matériaux solides. La supraconductivité a jusqu'à présent été principalement observée dans des matériaux refroidis à des températures très basses, généralement inférieures à 20 K.

Cependant, certains matériaux présentent une supraconductivité à haute température, supérieure à 77 K. Beaucoup de ces matériaux, également appelés supraconducteurs à haute température, sont connus pour être des antiferromagnétiques.

Un aspect de la supraconductivité à haute température que les physiciens ont essayé de mieux comprendre est la formation de paires de dopants mobiles dans les antiferromagnétiques, qui a été observée dans les supraconducteurs antiferromagnétiques à haute température. Malgré des études approfondies dans ce domaine, le mécanisme d'appariement microscopique qui sous-tend ces systèmes fortement corrélés n'a pas encore été universellement défini.

Des chercheurs du Centre de Munich pour la science et la technologie quantiques (MCQST), de l'Université Ludwig Maximilan de Munich, de l'ETH Zürich et de l'Université Harvard ont récemment dévoilé l'appariement à haute température de porteurs de charge mobiles dans des isolants Mott antiferromagnétiques dopés. Leur article, publié dans Nature Physics , pourraient apporter un éclairage nouveau sur la formation de paires mobiles de dopants dans les antiferromagnétiques.

"Comme nous avions déjà étudié en détail le problème du dopant unique, la prochaine étape logique était d'étudier les paires de trous", a déclaré Fabian Grusdt, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, à Phys.org. "Ainsi, il y a quelques années, nous avons commencé à généraliser certains de nos résultats antérieurs au cas à deux dopants et avons trouvé les premières informations analytiques sur le mécanisme d'appariement fort qui peut lier les trous ensemble. Cependant, nous avons rapidement réalisé que la propriété d'exclusion mutuelle de deux trous dans les paramètres mono-couches est un obstacle important pour l'appariement."

Tout en menant leurs études, Grusdt et ses collègues ont finalement réalisé que les matériaux bicouches pouvaient être des plates-formes idéales pour examiner la formation et l'appariement des porteurs de charge, car dans ces matériaux, le mécanisme d'appariement basé sur les cordes qu'ils ont observé peut se développer à sa pleine puissance. En raison de leurs propriétés et de leur pertinence expérimentale, l'équipe a décidé d'étudier ces matériaux.

"Nous avons rapidement réalisé que le mécanisme d'appariement que nous avions prédit conduirait à des énergies de liaison considérablement améliorées et serait donc directement accessible aux systèmes d'atomes ultrafroids actuels", a déclaré Grusdt. "Une fois que nous avons compris le nouveau mécanisme, sa beauté conceptuelle et sa simplicité nous ont fait craindre pendant un moment que des groupes concurrents poursuivent peut-être déjà des approches similaires, mais à la fin, notre travail enthousiaste a été récompensé."

Appariement à base de chaînes de charges mobiles dans un antiferromagnétique bicouche :des trous chargés se déplaçant dans des couches opposées d'un paramagnétique quantique créent une chaîne de liaison antiferromagnétique déplacée. En se déplaçant dans un concert fortement corrélé, les charges utilisent de manière optimale leur énergie cinétique, ce qui conduit finalement à un puissant mécanisme d'appariement qui peut être réalisé expérimentalement à des températures étonnamment élevées. Crédit :Bohrdt et al.

Le nouveau mécanisme dévoilé par Grusdt et ses collègues se produit d'abord dans un régime conceptuellement plus simple, connu sous le nom de régime « fortement contraignant ». L'idée principale derrière ce mécanisme est que deux charges appariées ne "payent" que l'énergie nécessaire pour rompre une, plutôt que deux, liaisons antiferromagnétiques.

En associant les charges de deux couches différentes du matériau dans le cadre multidimensionnel utilisé par les chercheurs, l'énergie cinétique des charges, qui domine généralement toutes les échelles d'énergie, peut être supprimée. D'autre part, dans le "régime de couplage fort" conceptuellement plus complexe, la "colle" nécessaire pour apparier deux charges dérive d'une chaîne de liaisons antiferromagnétiques déplacées.

"La création de cette chaîne coûte une énergie magnétique importante, mais dans l'ensemble, les charges gagnent suffisamment d'énergie cinétique en suivant les chemins les unes des autres", a expliqué Grusdt. "Pour le dire clairement :les dopants mobiles peuvent se déplacer dans un concert fortement corrélé et se délocaliser suffisamment pour dominer même une grande barrière d'énergie potentielle en essayant de les délier. En effet, nous avons révélé une interaction complexe d'échelles d'énergie cinétique et magnétique, ce qui permet finalement une liaison d'énergies qui dépassent systématiquement celles réalisables en régime de liaison forte."

Les travaux récents de Grusdt et de ses collègues dévoilent un mécanisme d'appariement remarquablement fort qui est analytiquement traitable dans un large éventail de paramètres. Il s'agit d'une réalisation particulièrement remarquable, car les études dans ce domaine de la physique reposent généralement sur des simulations numériques lourdes en termes de calcul.

« À court terme, l'implication la plus importante de notre travail est probablement la faisabilité expérimentale de notre approche, qui a très récemment conduit à l'observation expérimentale longtemps recherchée de l'appariement dans un système d'atomes ultrafroids de type Hubbard », a ajouté Grusdt. "A long terme, nous pensons que notre approche peut éventuellement motiver la conception de nouveaux matériaux avec des températures supraconductrices considérablement améliorées."

À l'avenir, l'étude menée par Grusdt et ses collègues et le mécanisme qu'ils ont dévoilé pourraient ouvrir la voie à la conception et à la fabrication de matériaux présentant une supraconductivité à des températures nettement plus élevées. En outre, cela pourrait aider à améliorer la compréhension actuelle du mécanisme d'appariement sous-jacent à la supraconductivité à haute température.

"Nous prévoyons maintenant d'utiliser nos résultats récents comme base de départ pour d'autres études sur l'appariement des trous dans des systèmes quantiques fortement corrélés", a ajouté Grusdt. "Par exemple, nous voulons envisager un pansement supplémentaire de phonons pour savoir s'il augmenterait ou diminuerait les énergies de liaison."

Dans leurs prochaines études, les chercheurs prévoient également d'étudier plus en profondeur les spectres d'excitation des charges appariées, afin de déterminer la pertinence de leurs résultats par rapport aux mécanismes d'appariement décrits par le modèle de Fermi-Hubbard plain-vanilla. De plus, ils aimeraient étudier si des structures encore plus exotiques composées de charges mobiles et de chaînes pourraient se former dans des régimes plus fortement frustrés du diagramme de phase. + Explorer plus loin