ミュンヘンの研究チームは、固体モデル中の正電荷キャリアが結合してペアを形成する様子を、実験で初めてモニターしました。この過程は、高温超伝導の理解に重要な役割を果たす可能性がある。 A Munich team of researchers has for the first time monitored in an experiment how positive charge carriers in a solid-state model combined to form pairs. This process could play an important role in understanding high-temperature superconductivity.
2023-01-19 ミュンヘン大学（LMU）
◆このたび、LMUの物理学者イマニュエル・ブロッホが率いるガルヒングのMPQ量子多体系研究所の研究チームは、いわゆる非従来型超伝導体の根底にあるプロセスについて、新たに微視的洞察を得ることに成功した。
◆超伝導には、電荷キャリア（電子または正孔、空孔と呼ばれる）の強固に結びついたペアの形成が不可欠である。しかし、量子統計学的な理由から、ある条件下では、整数のスピンをもつ粒子だけが結晶格子の中を抵抗なく動くことができる。従来型の超伝導体では、フォノンと呼ばれる格子振動がペアリングを助けています。一方、非従来型超伝導体では、別のメカニズムが働いている。しかし、それがどのメカニズムなのかはこれまで不明であった。
◆このような物質におけるプロセスをよりよく理解するために、研究者らは、量子シミュレーターを使用しました。研究チームは、真空中の超低温原子にレーザー光を照射し、単純化した固体モデルにおける電子を模擬するように配置した。その結果、原子のスピンが交互に並び、多くの高温超伝導体に特徴的な反強磁性構造が形成され、磁気的相互作用により安定化した。研究チームは次に、このモデルを「ドープ」して、系内の原子の数を減らした。すると、格子のような構造の中に正孔が出現した。
◆MPQの研究チームは、磁気力が実際にペアにつながることを示すことができた。そのために、彼らはある実験的トリックを用いた。「高温超伝導体のような物質中を動く電荷キャリアは、さまざまな力の競合にさらされています」とヒルテ氏は説明する。一方では、電荷キャリアは拡散しようとする、つまり同時にどこにでも存在しようとする衝動に駆られます。そのため、エネルギー的に有利なのです。一方、磁気的な相互作用によって、原子、電子、正孔のスピン状態が規則正しく配列され、電荷キャリア対が形成されると推測されます」。しかし、「力の競合があるため、これまでは電荷キャリア対を微視的に観察することができませんでした」と研究グループのリーダー、ティモン・ヒルカーは言う。「そこで、電荷キャリアの空間的な一方向への破壊的な動きを阻止することを思いついたのです」。
◆この方法では、磁力はほとんど乱れませんでした。その結果、互いに接近した正孔が、期待通りのペアを形成した。研究チームは、このペアリングを観察するために、量子力学的プロセスを詳細に追跡できる装置である量子ガス顕微鏡を用いた。その結果、正孔のペアが明らかになっただけでなく、ペアの相対的な配置も観察され、ペアの間に斥力が働いていることが示唆された。
◆研究者らは現在、原子の大きな2次元配列が連結した、より複雑なモデルでの新たな実験を計画している。このような大規模な系では、より多くの正孔対が生成され、格子内を移動する正孔対の観測が可能になると期待される。つまり、超伝導によって抵抗なく電流が輸送されるのである。
＜関連情報＞
- https://www.lmu.de/en/newsroom/news-overview/news/quantum-physics-simulation-of-superconductivity.html
- https://www.nature.com/articles/s41586-022-05437-y
超低温原子からなるフェルミオン梯子における磁気的媒介による正孔対形成 Magnetically mediated hole pairing in fermionic ladders of ultracold atoms
Sarah Hirthe,Thomas Chalopin,Dominik Bourgund,Petar Bojović,Annabelle Bohrdt,Eugene Demler,Fabian Grusdt,Immanuel Bloch &Timon A. Hilker
Nature Published:18 January 2023
DOIh:ttps://doi.org/10.1038/s41586-022-05437-y
Abstract
Conventional superconductivity emerges from pairing of charge carriers—electrons or holes—mediated by phonons1. In many unconventional superconductors, the pairing mechanism is conjectured to be mediated by magnetic correlations2, as captured by models of mobile charges in doped antiferromagnets3. However, a precise understanding of the underlying mechanism in real materials is still lacking and has been driving experimental and theoretical research for the past 40 years. Early theoretical studies predicted magnetic-mediated pairing of dopants in ladder systems4,5,6,7,8, in which idealized theoretical toy models explained how pairing can emerge despite repulsive interactions9. Here we experimentally observe this long-standing theoretical prediction, reporting hole pairing due to magnetic correlations in a quantum gas of ultracold atoms. By engineering doped antiferromagnetic ladders with mixed-dimensional couplings10, we suppress Pauli blocking of holes at short length scales. This results in a marked increase in binding energy and decrease in pair size, enabling us to observe pairs of holes predominantly occupying the same rung of the ladder. We find a hole–hole binding energy of the order of the superexchange energy and, upon increased doping, we observe spatial structures in the pair distribution, indicating repulsion between bound hole pairs. By engineering a configuration in which binding is strongly enhanced, we delineate a strategy to increase the critical temperature for superconductivity.
