mile米乐m6(中国)官方网站v 铁基超导体中的新量子液晶态

东京大学前沿科学研究生院研究生 Kosuke Ishida、Yuya Tsujii、Yuta Mizukami 助理教授、Takayoshi Shibauchi 教授、意大利先进工业技术研究所电子与光子学研究部高级研究员 Shigeyuki Ishida、高级首席科学家 Yu Chang、首席科学家 Hiroshi Nagasaki 与卡尔斯鲁厄联合研究小组德国理工学院和美国明尼苏达大学发现，可以在铁基超导体中实现新的量子液晶态。这种新的量子液晶态允许电子响应方向在任何方向上排列，预计将导致新量子技术的发展。

这项研究成果发表在美国科学杂志《美国国家科学院院刊 (PNAS)

本研究得到创新领域科学研究补助金（研究领域提案型）“量子液晶凝聚态科学”（领域代表：柴内隆吉教授）[JP19H05823、JP19H05824]和TIA合作计划探索促进项目的支持“筑波-柏-本乡超导挂桥项目。”

研究背景和历史

电子间的强排斥力强关联电子体系（注2）的物质有时会表现出与我们的直觉相反的令人惊讶的特性。这些状态之一称为量子液晶态。在显示器中使用的典型液晶中，棒状液晶分子在高温下沿不同方向取向，但在较低温度下沿相同方向排列。在强相关电子系统中，每个电子不具有单独的取向，但由于量子力学效应，一群电子可以在一定温度下朝特定方向取向，这称为量子液晶态。这种量子液晶态已经在多种材料中被发现，其中一些甚至表现出超导性，它被认为对于加深我们对量子液晶态的理解很重要。

这样，由材料中的电子产生的量子液晶态与一般的液晶类似，因为它“具有取向”，但之前被认为至关重要的区别在于它试图在哪个方向上自行排列。在液晶中，分子可以在 360 度平面内的任何方向上排列，但在电子系统的量子液晶态中，人们认为电子排列的方向是有限的，因为它们受到材料中晶格的影响。

研究成果的内容及意义

该研究小组专注于Ba，一种铁基高温超导体_1-xRb_x铁₂作为₂的材料中创建一种新的量子液晶态，其中一组电子可以在任何方向上排列，而不管晶格的方向如何。钡铁₂作为₂（x=0)早已被认为在低温下表现出量子液晶态，其取向是连接两个相邻Fe原子的方向。这可以通过测量样品膨胀或收缩时电阻的变化量来研究。钡铁₂作为₂晶体结构为例，量子液晶态有两种可能的取向：连接两个相邻Fe原子的方向（Fe-Fe方向），或连接相差45度的Fe原子和As原子的方向（Fe-As方向）（图1）。当样品沿量子液晶态方向拉伸或收缩时，电阻会发生显着变化，因为电子群试图沿该方向排列。钡铁₂作为₂当在 Fe-Fe 方向上拉伸和收缩时，电阻的变化比在 Fe-As 方向上更大，而在本研究中，RbFe₂作为₂（x=1)，则相反，Fe-As方向更大。这是铷铁₂作为₂中，量子液晶态的方向为BaFe₂作为₂不同呈 45 度且沿 Fe-As 方向。

这个研究小组是BaFe₂作为₂中的Ba，量子液晶态的取向发生变化。与 Rb 的混晶系 Ba_1-xRb_x铁₂作为₂并详细研究了方向的变化。结果，在一定比例的Ba和Rb制成的样品中，颗粒倾向于沿Fe-Fe方向或Fe-As方向排列，表明这是一种量子液晶态，与一般液晶在平面内倾向于沿任何方向排列非常相似。

这一结果表明，有可能实现一种比迄今为止报道的量子液晶态更类似于普通液晶的新型量子液晶态。在量子液晶态中，电子态本身可以通过外部场改变，因此预计会产生快速而巨大的响应。然而，由于这种新的量子液晶态可以自由控制其取向，因此如果能够利用这种状态来控制物质中基本激发的流动（量子波或量子流），则有望导致控制量子信息传输方向等新量子技术的发展。

石田浩介（东京大学前沿科学研究生院材料科学系博士生二年级）
Yuya Tsujii（东京大学前沿科学研究生院材料科学系硕士二年级）
Yuta Mizukami（东京大学前沿科学研究生院材料科学系助理教授）
Takada Shibauchi（东京大学前沿科学研究生院材料科学系教授）
Shigeyuki Ishida（米乐m6官方网站电子与光子学研究部超导电子组首席研究员）
Akira Iyo（米乐m6官方网站电子光子学研究部超导电子组高级首席研究员）
Hiroshi Nagasaki（米乐m6官方网站电子与光子技术研究部首席研究员）

杂志名称：“美国国家科学院院刊 (PNAS)” （在线：发表在 3 月 9 日当周的最新文章中）
论文标题：重空穴掺杂铁磷族元素超导体中的新型电子向列性
作者：K Ishida、M Tsujii、S Hosoi、Y Mizukami、S Ishida、A Iyo、H Eisaki、T Wolf、
K。 Grube、H v Loehneysen、R M Fernandes 和 T Shibauchi*

(注1)量子液晶态

普通的液晶是由棒状或盘状的分子组成，但分子的形状本身是有取向的，当取向取向时，就变成了液晶。另一方面，如果我们关注材料中的电子，它们通常没有方向性，但由于量子力学效应（例如自旋和轨道），电子的响应可能表现出类似于液晶的特性，这有时被称为“量子液晶”态。在量子液晶态下，电子集体倾向于沿特定方向取向。例如，在称为四方晶体的晶体结构中，原子在平面上排列成正方形。在本例中，该正方形的一侧 (x方向) 和与之成 90 度角的另一边 (y方向），原子以相同的方式排列，并且x方向和y中的电子布居预计具有相同的属性。方向。然而，在量子液晶态下，这x方向和y它表现出电流流动的难易程度（即电阻值）根据方向而有很大变化的行为。这是基于原子的排列x方向和y虽然电流应该在所有方向上都同样容易流动，但这意味着一组电子选择一个方向并允许电流仅在该方向上流动。这种电子集体倾向于沿某个方向取向的状态被称为量子液晶态，因为其行为与液晶类似。[返回来源]

(注2)强关联电子体系

电子带有负电荷，两个电子之间会产生排斥力，但由于固体中有无数电子，它们之间相互排斥，所以很难预测会发生什么样的现象。在铝等普通金属中，这些排斥力并不大，因此它们的行为可以通过忽略它们的理论来解释。然而，在过渡金属化合物等中，这种排斥力极其强大，并且已经发现的许多行为无法用忽略它的理论来解释。电子之间发生如此强相互作用的系统被称为强相关电子系统，并且正在积极研究如何理解该系统所表现出的独特行为。[返回来源]