Die Erforschung exotischer Quantenphasenübergänge war schon immer ein Schwerpunkt in der Festkörperphysik. Kritische Phänomene bei einem Phasenübergang werden vollständig durch die Universalitätsklasse bestimmt, die durch die räumlichen und/oder Ordnungsparameter gesteuert wird und unabhängig von mikroskopischen Details ist.
Der Quantenphasenübergang ist eine Klasse von Phasenübergängen, die aufgrund von Quantenfluktuationen auftreten, die durch bestimmte Parameter des Systems an der Nulltemperaturgrenze abgestimmt werden. Der Phasenübergang Supraleiter-Isolator/Metall ist ein klassisches Beispiel für einen Quantenphasenübergang, der seit mehr als 40 Jahren intensiv untersucht wird.
Unordnung gilt als einer der wichtigsten Einflussfaktoren und hat daher große Aufmerksamkeit erhalten. Während der Phasenübergänge erfüllt das System normalerweise die Skalierungsinvarianz, sodass die Universalitätsklasse durch einen einzigen kritischen Exponenten charakterisiert wird. Im Gegensatz dazu besteht die Besonderheit der Quanten-Griffith-Singularität darin, dass sie die traditionelle Skalierungsinvarianz durchbricht, wodurch exotische Physik entsteht.
Die Physik der Griffiths-Singularität geht auf das Jahr 1969 zurück, als der amerikanische Physiker Griffiths eine Art Phasenübergang vorschlug, bei dem die Skalierungsinvarianz gebrochen ist. In diesem Fall tendiert der kritische Exponent dazu, zu divergieren, anstatt konstant zu bleiben. Die Quanten-Griffith-Singularität bezieht sich auf die Griffith-Singularität in einem Quantenphasenübergang.
Seit der Annahme der Quanten-Griffith-Singularität wurde diese nur in konventionellen niedrigdimensionalen supraleitenden Filmen und in einigen dreidimensionalen Ferromagneten beobachtet. Die Existenz der Quanten-Griffith-Singularität in dreidimensionalen Supraleitern und in unkonventionellen Hochtemperatur-Supraleitern muss noch experimentell bestätigt werden. Eine solche Bestätigung wird Licht in das Verständnis der Mechanismen der unkonventionellen Hochtemperatur-Supraleitung bringen.
Kürzlich führte eine Forschungsgruppe unter der Leitung von Jian-Hao Chen, einem Forscher am International Center for Quantum Materials an der School of Physics der Peking University, der Beijing Academy of Quantum Information Sciences und dem Key Laboratory for the Physics and Chemistry of Nanodevices der Peking University, eine Studie zur Quanten-Griffith-Singularität im unkonventionellen, hochtemperatursupraleitenden Einkristall CaFe1-xNixAsF durch.
Sie und ihre Mitarbeiter züchteten zum ersten Mal eine Reihe qualitativ hochwertiger, unterdotierter CaFe1-xNixAsF-Einkristalle und beobachteten die Entwicklung von quasi zweidimensionalen zu dreidimensionalen anisotropen Quanten-Griffith-Singularitäten in den von Magnetfeldern angetriebenen Phasenübergängen zwischen Supraleiter und Metall. Sie fanden eine robuste Quanten-Griffith-Singularität, die bis zu 5,3 K anhalten kann und in den Kristallen sowohl durch parallele als auch durch vertikale Magnetfelder induziert werden kann.
Diese Studie enthüllt nicht nur die Universalität der Quanten-Griffith-Singularität in dreidimensionalen und unkonventionellen Hochtemperatur-Supraleitungssystemen, sondern sagt auch die Möglichkeit voraus, Quanten-Griffith-Zustände in unkonventionelleren Hochtemperatur-Supraleitungsfamilien (d. h. auf Nickel und Kupfer basierenden Supraleitern) zu finden, was das Verständnis der unkonventionellen Mechanismen der Hochtemperatur-Supraleitung weiter fördern könnte.
Die Ergebnisse wurden veröffentlicht in Nationale Wissenschaftsüberprüfung im Jahr 2024 mit dem Titel „Dreidimensionale Quanten-Griffiths-Singularität in massiven Eisen-Pniktid-Supraleitern.“
Jian-Hao Chen war der korrespondierende Autor des Artikels, und zu den Co-Erstautoren gehören Shao-Bo Liu, ein Postdoktorand, Congkuan Tian, ein Doktorand, beide vom International Center for Quantum Materials an der School of Physics der Peking University, und Yongqing Cai, ein Assistenzprofessor an der School of Physics der Dalian University of Technology.
Mehr Informationen:
Shao-Bo Liu et al., Dreidimensionale Quanten-Griffiths-Singularität in massiven Eisen-Pniktid-Supraleitern, Nationale Wissenschaftsüberprüfung (2024). DOI: 10.1093/nsr/nwae220