(A) Vista lateral da estrutura de cristal LixZrNCl. As linhas sólidas representam a célula unitária romboédrica. (B) Ilustração esquemática do dispositivo de ativação iônica com base em uma imagem microscópica óptica real de um floco de cristal único ZrNCl e eletrodos padronizados. Contatos estreitos são preparados para as medições de espectroscopia de tunelamento. O PMMA cobre todo o dispositivo, exceto a área externa do floco e o eletrodo da porta. O eletrólito contendo LiClO4 é descartado no dispositivo. A tensão de porta VG é aplicada ao eletrólito, e cátions de lítio e ânions ClO4 se movem de forma oposta. Os cátions de lítio se intercalam nas laterais do floco. (C) IDS de corrente fonte-dreno do dispositivo em operação de intercalação. Durante a varredura para frente de VG (vermelho), IDS aumenta acentuadamente, enquanto a mudança de IDS é gradual na varredura para trás (azul). VG é varrido a uma velocidade de 10 mV / seg. (D) Resistividade transversal anti-simetrizada a 150 K para vários valores do teor de Li x. A inclinação linear é usada para determinar x. Crédito:Ciência, doi:10.1126 / science.abb9860
Nos sistemas de férmions emparelhados, a superfluidez de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) e a condensação de Bose-Einstein (BEC) são dois limites extremos do estado fundamental. Em um novo relatório em Ciência , Yuji Nakagawa e uma equipe de cientistas em física aplicada, eletrônica quântica, ciência da matéria emergente e pesquisa de materiais no Japão, relatou o comportamento de cruzamento do limite BCS para o limite BEC, variando a densidade da portadora em um supercondutor 2D dopado com elétrons, material em camadas ZrNCl contendo nitreto em camadas intercaladas. A equipe mostrou como a razão entre a temperatura de transição supercondutora e a temperatura de Fermi no limite de baixa densidade do portador era consistente com o limite superior teórico esperado no regime de crossover BCS-BEC. Os resultados indicaram como o semicondutor dopado com porta forneceu uma plataforma ideal para o crossover 2D BCS-BEC sem complexidades adicionais como aquelas observadas em outros sistemas de estado sólido.
O cruzamento BCS-BEC
O fenômeno do emparelhamento de férmions, e a condensação é fundamental para uma variedade de sistemas, incluindo estrelas de neurônios, supercondutores e gases atômicos ultracold. Dois casos limites para a condensação de férmions são descritos por duas teorias distintas conhecidas como teoria de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS), para a qual o físico John Bardeen et al. recebeu o prêmio Nobel em 1972, e a condensação de Bose-Einstein (BEC) desenvolvida pelos físicos Satyendra Nath Bose e Albert Einstein em 1924. A teoria BCS detalha a superfluidez no limite de acoplamento fraco ou alta densidade onde os férmions individuais condensam diretamente a um estado coerente de pares de férmions - um tipo de condensação tipicamente observada na supercondutividade dos elétrons. O último frequentemente ocorria durante o acoplamento forte, limite de baixa densidade. Inicialmente, pares de férmions se comportam como bósons e então passam pelo BEC ao estado superfluido em um fenômeno visto em gases fermiônicos. Os dois limites são conectados continuamente por meio de um regime intermediário conhecido como cruzamento BCS-BEC.
Propriedades de transporte de LixZrNCl. (A) Dependência da resistividade da temperatura em diferentes níveis de dopagem. As resistividades em x =0,080 e 0,13 são multiplicadas por 5 e 10, respectivamente. (B) Resistividade normalizada em 30 K. Cada curva é deslocada em 0,5, e linhas tracejadas cinza indicam linhas zero. (C) Resistividade em x =0,011 mostrando a transição BKT. A linha preta é o ajuste para a fórmula Halperin-Nelson. Detalhe:resistividade plotada em uma escala [d (ln ρ) / dT] -2/3. (D) Campo crítico superior fora do plano Hc2 em função da temperatura. As linhas tracejadas são extrapolações lineares para 0 K para cada nível de dopagem. (E) Dependência de dopagem de Hc2 em 0 K em (D) (topo) e comprimento de coerência no plano ξ (fundo). Crédito:Ciência, doi:10.1126 / science.abb9860 
Os físicos usam gases atômicos ultracold e supercondutores como configurações experimentais favoráveis para observar o cruzamento BCS-BEC controlando a força de acoplamento entre os férmions constituintes de uma maneira quase contínua. Em gases atômicos ultracold, a força de acoplamento pode ser altamente modulada usando ressonâncias de Feshbach que varrem o regime de crossover do limite de BEC. Os pesquisadores podem controlar a densidade do portador e a força de acoplamento para entrar no regime de crossover do limite BCS dentro dos supercondutores. Em supercondutores, a força de acoplamento adimensional pode ser determinada usando a lacuna supercondutora e a energia de Fermi medida da parte inferior da banda de condução. À medida que a razão entre a lacuna supercondutora e a energia de Fermi aumentou por meio de interações de emparelhamento aprimoradas ou densidade de portadores reduzida, o sistema entrou no regime de cruzamento BCS-BEC, acompanhada por razões aumentadas de temperatura crítica supercondutora e temperatura de Fermi. Por exemplo, nióbio (Nb) e alumínio (Al) residem profundamente dentro do limite BCS, enquanto supercondutores mais exóticos, incluindo semicondutores à base de ferro, estão localizados próximos ao regime de cruzamento BCS-BEC. As forças de acoplamento, no entanto, não são altas o suficiente para atingir o limite de BEC além do regime de cruzamento devido a atividades complexas, como baixa densidade de portadores, fortes efeitos de correlação de elétrons e ordenação magnética que obscurecem os fenômenos. Como resultado, os físicos ainda precisam demonstrar claramente o cruzamento BCS-BEC durante o estudo dos supercondutores. Nesse trabalho, Nakagawa et al. estudou o supercondutor Li x ZrNCl - um nitreto em camadas intercaladas de lítio para entender o fenômeno.
Investigando o supercondutor
Espectroscopia de tunelamento de LixZrNCl. (A) Espectros de tunelamento simetrizados e normalizados a 2 K. Em cada nível de dopagem, espectros em 55 K são usados para a normalização para remover a polarização e o fundo dependente de x após a subtração da resistividade do canal (15, 27). (B) Dependência de dopagem do gap supercondutor ∆ (topo) e sua relação com a temperatura crítica Tc (fundo). A teoria BCS prevê 2∆ / kBTc =3,52 (linha tracejada). Os símbolos abertos são valores medidos em amostras policristalinas (29). (C) Espectros de tunelamento em x =0,0066 para diferentes temperaturas normalizadas em 55 K sem simetrização. Detalhe:varredura de temperatura de condutância de polarização zero (ZBC), dI / dV em V =0. A temperatura de abertura da lacuna T * é determinada por uma queda de 1% de ZBC. (D) ∆ em x =0,0066 (círculos) e 0,13 (losangos) em função da temperatura. As linhas sólidas indicam a função de gap BCStype com Tc determinado pela transição resistiva. (E) Diagrama de fases de LixZrNCl. O regime de temperatura entre Tc e T * representa o estado pseudogap. O erro da densidade da portadora é estimado por medições em várias sondas Hall. Detalhe:a relação entre T * e Tc. Crédito:Ciência, doi:10.1126 / science.abb9860.
No Li x Supercondutor ZrNCl, o lítio forneceu elétrons para a camada dupla de favo de mel ZrN, que formou um isolante de faixa na ausência de dopagem. Os pesquisadores já haviam realizado medições de cristal único de ZrNCl puro usando métodos de passagem iônica. Em trabalho recente, Nakagawa et al. introduziu uma estrutura de dispositivo modificada e observou um cruzamento dimensional de supercondutores tridimensionais anisotrópicos (3D) para 2D, diminuindo a densidade do portador. Nesse trabalho, a equipe detalhou o comportamento da supercondutividade de Li x ZrNCl em um regime de densidade de portadores ainda mais baixa. Os cientistas usaram uma estrutura de dispositivo de ativação iônica e prepararam eletrodos estreitos para espectroscopia de tunelamento na região do canal entre os eletrodos de fonte e dreno e cobriram o dispositivo com uma máscara de poli (metacrilato de metila) (PMMA). Durante a tensão do portão (V G ) formulários, a equipe rastreou o processo de intercalação por meio da medição da corrente fonte-dreno. A transição resistiva no regime altamente dopado foi acentuada, embora seja substancialmente ampliado no regime levemente dopado para representar um cruzamento dimensional de supercondutores 3D anisotrópicos para 2D.
O cruzamento dimensional
O cruzamento dimensional 3D para 2D do supercondutor ocorreu devido à densidade de portadora reduzida para, portanto, formar um fenômeno único e inesperado para permitir o cruzamento. A equipe creditou o recurso ao empilhamento romboédrico de camadas ZrNCl, onde a unidade continha três camadas. Usando cálculos de teoria funcional de densidade, eles confirmaram os resultados experimentais. Durante o processo de resfriamento, os cientistas realizaram espectroscopia de tunelamento, onde a diminuição da densidade do portador correspondeu a um acoplamento mais forte. Nakagawa et al. também discutiu os estados de pseudo-gap em vários materiais e os comparou com o sistema atual. O li x O material ZrNCl ofereceu um banco de ensaio mais simples, uma vez que seu isolador de banda estava livre de efeitos de correlação de elétrons, ordens magnéticas e ondas de densidade. A equipe creditou o estado de pseudo gap observado em Li x ZrNCl para a formação de pares pré-formados durante o fenômeno de cruzamento BCS-BEC. Eles então destacaram um estudo em massa, onde as medições de NMR em Li policristalino x As amostras de ZrNCl mostraram um estado de pseudogap no lado de alta dopagem da cúpula supercondutora.
O cruzamento BCS-BEC em LixZrNCl supercondutor. (A) Dependência de dopagem da razão entre o gap supercondutor e a energia de Fermi (∆ / EF) (topo) e a razão entre a distância interpartícula e o comprimento de coerência (1 / kFξ) (parte inferior). A área laranja representa o regime de cruzamento BCS-BEC (22). Os triângulos abertos são valores medidos da medição de calor específico (29). (B) O diagrama de fase do cruzamento BCS-BEC. Temperatura de abertura da lacuna T *, temperatura crítica Tc e temperatura crítica de transição BKT TBKT são normalizadas pela temperatura de Fermi TF e plotadas como funções de ∆ / EF com esferas vermelhas, diamantes azuis escuros, e quadrados rosa, respectivamente. A linha tracejada representa o limite superior previsto teoricamente, TBKT / TF =0,125. Detalhe:Tc / TF e TBKT / TF como funções de 1 / kFξ. (C) Gráfico de Uemura:a temperatura crítica versus a temperatura de Fermi é representada graficamente para vários supercondutores. À medida que x diminui, LixZrNCl afasta-se do limite BCS, chegando à região de cruzamento tendo atravessado a área sombreada, onde a maioria dos supercondutores não convencionais estão localizados (8). A linha tracejada denotada como "BEC em 3D" representa a temperatura crítica no limite BEC em sistemas de gás Fermi 3D, Tc =0,218 TF (2). A outra linha tracejada, denotado como "Limite em 2D", corresponde ao limite superior geral de TBKT =0,125 TF em todos os sistemas fermiônicos 2D. Crédito:Ciência, doi:10.1126 / science.abb9860. 
Desta maneira, Yuji Nakagawa e colegas mostraram crossover 2D BCS-BEC ajustando sistematicamente a força de acoplamento de supercondutores em Li x Amostras ZrNCl. A equipe realizou o crossover 2D BCS-BEC devido ao crossover dimensional do 3D anisotrópico para o 2D, reduzindo a densidade de portadores das amostras. Eles compararam este cruzamento com matrizes de nuvens 2D de gases Fermi, em que também a dimensionalidade foi afetada pela resistência de acoplamento. Estudos adicionais sobre o fenômeno ajudarão a avançar no entendimento da física de condensação de férmions.
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