Ett pärlband av småvirvlar

Forskare på Chalmers har kommit fram till hur den så kallade tidsreverseringssymmetrin kan brytas i en klass av supraledande material. Resultaten har nu publicerats i den högrankade tidskriften Nature Physics, som även valt att ha chalmersforskarnas studie på omslaget.

– Symmetrier är en viktig del för att beskriva naturen. En boll är rund och ser likadan ut oberoende av hur vi roterar den, den har alltså rotationssymmetri. De flesta material har på samma sätt symmetrier som beskriver hur de ser ut och vad de har för egenskaper. Bryts en eller flera symmetrier signalerar det att det skett en fasövergång till ett nytt tillstånd. När ett material blir magnetiskt är det en mer abstrakt symmetri, så kallad tidsreverseringssymmetri, som brutits, säger Mikael Fogelström, professor i teoretisk fysik på Chalmers.

Supraledande material leder elektrisk ström utan energiförlust. 1986 upptäckte forskarna att en familj perovskitmaterial  – med två-dimensionella kopparoxidplan – blev supraledande vid relativt höga temperaturer. Ganska snabbt därefter kunde man också konstatera experimentellt, att den supraledande fasen även bröt kristallsymmetrin och att materialet var ovanligt i det hänseendet.

Teoretikerna funderade vidare på om dessa material även kunde bryta tidsreversering och uppvisa spontan magnetisering. Experiment, främst på elektrontransport, visade att så var fallet medan en annan klass av experiment som direkt ville mäta den spontana magnetiseringen visade på en nolleffekt.

– Vad vi kommer fram till i vårt arbete är en ny mekanism för att bryta tidsreverseringssymmetri i högtemperatursupraledare. Vi pekar vidare på att man antagligen redan sett detta och att de två uppsättningarna av experiment faktiskt inte motsäger varandra, säger Tomas Löfwander, som är en av de tre forskarna bakom de nya rönen.

Chalmersforskarnas upptäckt bygger på ett programpaket som Mikael Håkansson utvecklat i sitt licentiatarbete på avdelningen för tillämpad kvantfysik på MC2, för att teoretiskt modellera små, mesoskopiska supraledande gryn. Detta programpaket utnyttjar massiv parallellisering av det numeriska arbetet, som sedan kan köras på grafikprocessorer, så kallade GPU:er.
Fr v Tomas Löfwander, Mikael Håkansson och Mikael Fogelström. Foto: Michael Nystås
– Tiden för att utföra de ganska krävande beräkningarna reducerades väsentligt och vi kunde fokusera mer på fysiken och simulera mer realistiska system. Vid sidan om utvecklade jag ett verktyg för att hantera och visualisera de stora datamängder programmet producerade. Omslaget till septembernumret av Nature Physics visar just hur elektrontillstånden är distribuerade i energi längs med en yta av en högtemperatursupraledare då den brutit tidsreverseringssymmetrin, förklarar Mikael Håkansson.
 
Vad chalmersforskarna kunnat göra med detta beräkningsverktyg är att undersöka fall då randen av en supraledande kristall påverkar styrkan av den supraledande fasen. Spontant uppstår ett periodiskt mönster av strömvirvlar i ett pärlband längs ytan så fort temperaturen är lägre än en gränstemperatur. Dessa strömvirvlar ger i sin tur upphov till ett spontant magnetiskt flöde som alternerar i riktning på en längdskala på några tiotal nanometer.

– Vi tror att nya rön med så kallade nano-SQUIDS, magnetometrar med extremt god upplösning, direkt ska kunna verifiera våra resultat experimentellt, säger Mikael Fogelström.

Bildtext översta bilden:
En väg till ett tillstånd av bruten tidsreverseringssymmetri för d-vågs-superledare visas här inträffa via bildandet av ett pärlband av strömvirvlar runt kanten av materialet, där närliggande strömvirvlar har motsatt cirkulationsriktning. Detta mönster av strömvirvlar är ett resultat av spektral ombildning av strömförande tillstånd nära kanterna. Illustration: Mikael Håkansson

Läs artikeln i Nature Physics:
Håkansson, M., Löfwander, T. och Fogelström, M. (2015) Spontaneously broken time-reversal symmetry in high-temperature superconductors. Nature Physics (1745-2473). Vol. 11 (2015), 9, p. 755-760.
dx.doi.org/10.1038/nphys3383

Kontakt:
Mikael Fogelström, professor i teoretisk fysik, avdelningen för tillämpad kvantfysik, institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap – MC2, Chalmers tekniska högskola, mikael.fogelstrom@chalmers.se, tel. 0761-19 14 60, 031-772 31 96
Mikael Håkansson, tekn. lic, mikael.hakansson@gmail.com
Tomas Löfwander, docent, institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap – MC2, Chalmers tekniska högskola, tomas.lofwander@chalmers.se, tel. 031-772 80 31

Publicerad: to 26 okt 2017.