「姉妹」化合物の比較が量子パズルの鍵を握る可能性

物理学者たちは長年にわたり、大規模な超伝導材料で起こる量子現象、つまりいわゆる「奇妙な金属」内の電子が温度の影響を受けて高速で散乱する現象を説明しようと試みてきた。 特定の型破りな金属でなぜこれが起こるのかを解明することは、電気エネルギー伝達のより効率的な手段として物理学者が長年追い求めてきた高温超伝導を含む、多くの量子材料パズルの鍵を握る可能性がある。

コーネル大学の物理学者を含む研究者の国際共同研究は、2つの新しい論文で、なぜこのような「プランク散乱」が化合物PdCrO2で起こるのに、そのほぼ同一の「姉妹」PdCoO2では起こらないのかを顕微鏡レベルで説明している。

プランク散乱、つまり電子が材料の欠陥に衝突したり電子同士が衝突したりする速度は、温度とともに直線的に増加します。 研究者らは、十分に文書化された特性を備えた非常にきれいな結晶である PdCrO2 と PdCoO2 の比較を使用して、強く相互作用する金属における謎の「プランク散乱率」の起源を初めて定量的に正確に説明しました。

「磁気弾性散乱による T 線形抵抗率: PdCrO2 への応用」は、米国科学アカデミー紀要 (PNAS) に 8 月 28 日に掲載されました。

数多くの奇妙な金属では、電子同士の衝突、あるいはその途中で遭遇するあらゆるものとの衝突間の特徴的な時間は、プランク定数と温度によって設定される、と芸術科学大学の物理学助教授デバンジャン・チョードリー氏は述べた。そして論文の共著者でもある。 既知の高温超伝導体の大部分は、超伝導温度を超えて加熱されるとこの特性を示します。

このため、高温超伝導の起源を理解する手がかりは、この普遍的なプランク時間スケールにつながるこれらの材料間の共通点を理解することにあるとしばらくの間信じられてきました。

「この理論と実験の共同研究の背後にある動機は、電気輸送に関連するすべての特性が正確にわかっている少なくとも 1 つの材料例を用意し、プランク散乱時間の起源に関する微視的な理論を構築することでした」とチョードリー氏は述べた。 「私が知る限り、これは材料の顕微鏡モデルから出発して輸送に関する定量的理論が得られた最初の型破りな化合物の1つであり、すでに実験と非常によく一致しています。」

これを非常に効率的なエネルギー利用に応用するには大きな賭けがあり、原因を理解するために物性物理学では多大な努力が払われている、とチョードリー氏は語った。 「残念なことに、これらの超電導材料は理論的に理解してモデル化することが非常に難しいということです」と彼は言いました。 「したがって、私たちの希望は、この現象の理論を構築するために、より単純でクリーンで、本当によく特徴付けられた材料にまず焦点を当てることでした。」

選択した材料である PdCrO2 は磁性「デラフォサイト」（酸化クロム鉱物の一種）で、チョードリー氏はこれを 2 種類の電子を含む「興味深い相関材料」の模範例と呼んでいます。もう一つは磁性を示す不動電子のセットです。 PdCrO2 の電子磁性が鍵となります。 姉妹化合物である PdCoO2 では、磁性の兆候がないことを除けば、すべてが同じに見えます。 PdCrO2 では電気輸送はプランク運動ですが、PdCoO2 ではそうではありません。

しかし、プランクの時間スケールの起源を説明するのに必要なのは磁気自体だけではありません。

「パズルの重要なピースは、電子が結晶の振動や磁性の基本的な構成要素である局所的なスピンと同時に相互作用する予期せぬ協力的なプロセスであることが判明しました」と物理学博士課程の学生フアン・フェリペ・メンデス・バルデラマ氏は語った。 -イスラエルのワイツマン科学研究所のエヴヤタル・チューリップマン氏の筆頭著者。 「これまで無視されていた相互作用が支配的な役割を果たしている新しい候補材料を探すことができるようになり、これらの成分の1つを変更することで、まったく新しい現象を引き起こすことができます。」