Физики приняли экситон на роль дырки в исследовании сверхпроводников

2cLCI36UyJk1

Физики из Аргоннской национальной лаборатории APS придумали новый подход к исследованию поведения дырок в сверхпроводниках. До сих пор увидеть их экспериментально не удавалось. Ученые, однако, показали, что поведение дырок могут моделировать экситоны, возникающие в некоторых антиферромагнитных веществах. Исследование опубликовано в Nature Communications, кратко о нем можно прочитать в пресс-релизе лаборатории.

На фото: Расчетные (внизу) и наблюдаемые (вверху) энергетические диаграммы экситонов. Изображение: Jungho Kim et al., Nature Communications, 2014

Ученые исследовали распространение экситона в недавно открытом антиферромагнетике — иридате стронция (Sr2IrO4). У него много общих свойств (электронных магнитных и структурных) с высокотемпературными сверхпроводниками купратами.

Допирование квантового антиферромагнетика Гейзенберга что дыркой, что экситоном вызывает одинаковый эффект — волну переворачивающихся спинов вдоль пути перемещения квазичастицы (изоспинов в случае экситона). Именно это делает динамику дырки аналогичной динамике экситона и позволяет использовать экситон в качестве модели дырки. За поведением модельной квазичастицы в иридате стронция авторы наблюдали методом резонансного неупругого рентгеновского рассеяния.

В первую очередь физики сравнили экспериментальные данные с теорией — t-J моделью (это рабочая модель для высокотемпературных сверхпроводников, описывающая высокоскоррелированные электронные системы). Выяснилось, что модель воспроизводит большое количество особенностей экспериментальных данных и прекрасно описывает зависимость от поляризации и дисперсионные соотношения, что подтвердило аналогию экситон — дырка. Дальнейшие эксперименты показали, что экситон может распространяться когерентно в двумерном квантовом антиферромагнетике.

Однако если аналогия экситон-дырка верна, то почему же до настоящего момента ученым не удавалось экспериментально наблюдать распространение дырки? Дело в том, что экситон не во всем аналогичен дырке, и различия в их свойствах ведут к трудностям в экспериментальном наблюдении последней. Дырка — заряженный монополь, потому ее появление ведет к сильному взаимодействию с решеткой и неоднородностям в диэлектрике. Это, в свою очередь, приводит к ослаблению или вообще полному исчезновению квазичастицы. В отличие от дырки, экситон — частица незаряженная и взаимодействует с решеткой слабо, в своей динамике полностью подчиняясь t-J модели, экспериментальное подтверждение которой ускользало от физиков в течение последнего десятка лет.

Схожесть в поведении экситонов и дырок может помочь ученым разобраться в проблеме высокотемпературной сверхпроводимости. Сверхпроводники, не требующие сложного охлаждения, могли бы радикально изменить многие области техники, например упростить создание маглевов — магнитно левитирующих поездов.