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# Física# Supercondutividade# Física à mesoescala e à nanoescala# Electrões Fortemente Correlacionados

Insights sobre Supercondutores e Suas Interações Complexas

Uma visão geral dos mecanismos de supercondutividade e interações eletrônicas em vários materiais.

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SupercondutividadeSupercondutividadeReveladaem supercondutores.Examinando a interação de carga e spin
Índice

Supercondutores são materiais que conseguem conduzir eletricidade sem resistência quando resfriados a temperaturas super baixas. Esse estado único da matéria tem duas características principais: resistência elétrica zero e a expulsão de campos magnéticos. O funcionamento dos supercondutores pode ser complicado, principalmente quando se fala dos diferentes tipos, que são conhecidos como "supercondutores convencionais" e "supercondutores não convencionais".

Nos supercondutores convencionais, como a maioria dos metais, o comportamento é bem explicado por uma teoria chamada teoria BCS (Bardeen-Cooper-Schrieffer). Essa teoria sugere que pares de elétrons, conhecidos como Pares de Cooper, se formam devido a interações atrativas influenciadas por vibrações na estrutura do material, chamadas de fônons. No entanto, supercondutores não convencionais não seguem esse modelo simples. Isso inclui materiais como cupratos e supercondutores à base de ferro, que podem ter temperaturas de transição bem altas, tornando-os interessantes para estudo.

Propriedades e Flutuações dos Elétrons

Para entender a Supercondutividade, é essencial reconhecer três propriedades principais dos elétrons: spin, carga e momento. Essas propriedades interagem de várias maneiras, levando a flutuações no sistema de elétrons. Essas flutuações podem ocorrer tanto no spin quanto na carga, envolvendo mudanças no comportamento dos elétrons devido às forças entre eles.

As interações entre os elétrons podem resultar em diferentes desfechos. Por exemplo, quando as flutuações de spin são prominentes, podem afetar negativamente a formação de pares de Cooper, reduzindo a supercondutividade. Por outro lado, interações que envolvem flutuações de carga podem, às vezes, melhorar a supercondutividade.

O Papel das Interações entre Elétrons

Nos supercondutores, especialmente nos tipos não convencionais, forças repulsivas entre os elétrons desempenham um papel significativo. Estudos sugerem que essas interações repulsivas podem ajudar a impulsionar a formação de pares de Cooper, mesmo que pareça contraintuitivo. O equilíbrio entre forças atrativas e repulsivas é crítico para determinar o comportamento geral do estado supercondutor.

As flutuações podem se manifestar de várias maneiras, dependendo do material. Por exemplo, alguns materiais podem favorecer o emparelhamento em triplet spin, onde pares de elétrons têm SPINS paralelos, enquanto outros podem suportar emparelhamento em singlet spin, onde os spins são opostos.

Supercondutores Multibanda

Supercondutores multibanda apresentam uma camada extra de complexidade. Nesses materiais, há várias maneiras pelas quais bandas de elétrons podem formar pares de Cooper. A interação entre as diferentes bandas e a natureza de suas interações levam a comportamentos físicos diversos. Por exemplo, supercondutores à base de ferro e cupratos têm estruturas e propriedades eletrônicas distintas, levando-os a exibir supercondutividade não convencional.

Entender os arranjos específicos e as interações dessas diferentes bandas-conhecidas como graus de liberdade orbital e de sub-rede-é fundamental. Sistemas com múltiplas bandas costumam exibir fenômenos ricos e variados, tornando-os assuntos fascinantes para pesquisa.

Flutuações de Carga vs. Spin

A competição entre flutuações de carga e spin impacta bastante as propriedades dos supercondutores. Em alguns materiais, se um tipo de flutuação é mais dominante, pode levar a comportamentos supercondutores diferentes. Por exemplo, sistemas onde flutuações de spin predominam são mais propensos a exibir supercondutividade em singlet spin, que é frequentemente favorecida em supercondutores convencionais. Por outro lado, quando flutuações de carga dominam, pode haver uma tendência para supercondutividade em triplet spin.

Flutuações de Carga e Sua Importância

No contexto da supercondutividade, flutuações de carga são essenciais porque podem levar a estados ordenados por carga. Esses estados surgem quando os elétrons se agrupam de uma forma que forma um padrão pelo material. Essa ordenação pode alterar significativamente as propriedades elétricas e magnéticas, afetando como a supercondutividade se manifesta.

Materiais com mais de um local de sub-rede muitas vezes exibem flutuações de carga ao lado da supercondutividade. No entanto, flutuações de carga precisam ser acompanhadas com cuidado no contexto do emparelhamento supercondutor para garantir a previsão bem-sucedida de fases em novos materiais.

Flutuações de Spin e Supercondutividade

Por outro lado, flutuações de spin surgem das propriedades magnéticas dos elétrons. Quando os spins flutuam, eles podem se repelir, o que é tradicionalmente visto como prejudicial à supercondutividade. No entanto, certas interações podem levar a efeitos benéficos se as condições certas forem atendidas.

O resultado dessas flutuações se torna relevante, particularmente em sistemas multibanda onde menos locais de sub-rede podem levar a flutuações de spin dominantes. Essa compreensão é crítica ao tentar prever as propriedades supercondutoras dos materiais, especialmente no contexto de supercondutores de alta temperatura, onde essa interação é complexa e ainda não totalmente compreendida.

A Aproximação de Fase Aleatória em Matriz (RPA)

Os pesquisadores usam várias ferramentas teóricas para analisar e prever comportamentos em materiais supercondutores. Uma dessas ferramentas é a Aproximação de Fase Aleatória em Matriz (RPA), um método que ajuda a considerar as interações entre partículas em um sistema. A RPA é valiosa para calcular como as diferentes propriedades dos elétrons interagem e flutuam, dando insights sobre como a supercondutividade surge em vários materiais.

Em sistemas multiorbital e multisublattice, empregar a abordagem matriz-RPA permite que os cientistas considerem como as contribuições de spin e carga afetam as interações eletrônicas. Ao aplicar esse método, os pesquisadores conseguem simplificar cálculos complexos enquanto ainda ganham insights essenciais sobre a natureza da supercondutividade.

Efeitos da Interação de Coulomb

As interações de Coulomb entre os elétrons desempenham um papel crucial na formação do comportamento dos supercondutores. Essas interações surgem das forças elétricas entre partículas carregadas, que podem levar a efeitos tanto atrativos quanto repulsivos. A forma como essas forças estão estruturadas em diferentes materiais pode ditar qual tipo de supercondutividade ocorre.

No regime de acoplamento intermediário, onde as interações não são nem muito fracas nem muito fortes, a formalismo matriz-RPA pode ser usado para analisar esses efeitos. O método enfatiza a importância da força relativa e da natureza das interações, oferecendo uma visão mais clara de como a supercondutividade pode se formar em várias condições.

Suscetibilidade de Carga e Spin

Para entender flutuações em sistemas supercondutores, os cientistas estudam a suscetibilidade de carga e spin. Essas medições indicam quão responsivo um material é a mudanças externas, como a aplicação de campos magnéticos ou pressão.

A suscetibilidade de carga mede como a densidade de carga em um material responde a forças externas, enquanto a suscetibilidade de spin foca em como as propriedades magnéticas mudam. Ambos os tipos de suscetibilidade fornecem insights sobre a estabilidade de diferentes fases, como supercondutividade ou magnetismo.

Flutuações nessas suscetibilidades podem levar a transições entre diferentes estados da matéria. Reconhecer como um material transita de um estado para outro sob condições variadas é crucial para entender suas propriedades supercondutoras.

Vértice de Emparelhamento Multiorbital

Em sistemas com múltiplos orbitais, o vértice de emparelhamento se torna um elemento essencial para entender como pares de elétrons interagem. As interações podem variar com base em se os elétrons estão emparelhados de uma maneira em singlet spin ou triplet spin. A exata natureza das interações vai ditar quão estáveis são os pares de Cooper e como eles contribuem para a supercondutividade.

Ao analisar essas interações, os pesquisadores consideram tanto os termos de densidade-densidade quanto como os elétrons se transferem pelo material. Essa perspectiva permite que eles derive relações úteis cruciais para entender estados supercondutores.

A Influência dos Graus de Liberdade Orbital e de Sublattice

O papel dos graus de liberdade orbital e de sub-rede é vital para decifrar os diagramas de fase dos materiais supercondutores. Esses elementos podem ajudar a prever as condições sob as quais diferentes estados supercondutores surgem.

Conforme o número de orbitais aumenta, a complexidade das interações também escala. Por exemplo, alguns materiais têm arranjos únicos que levam a diferentes tipos de supercondutividade. Modelos teóricos tentam capturar essas dinâmicas, facilitando previsões sobre novos materiais e seus potenciais comportamentos supercondutores.

Supercondutividade de Forte Acoplamento

A supercondutividade de forte acoplamento ocorre quando as interações entre elétrons são suficientemente fortes para aumentar significativamente a força de emparelhamento. As condições que levam a esse comportamento podem variar bastante entre diferentes materiais. Em alguns casos, interações repulsivas podem contribuir positivamente, reforçando a formação de pares de Cooper.

Entender como tanto interações de spin quanto de carga contribuem para esse comportamento de forte acoplamento é essencial para projetar materiais com altas temperaturas críticas de supercondutividade. Explorar as nuances dessas interações oferece caminhos para refinar teorias existentes e conectá-las a observações experimentais.

Implicações para Pesquisas Futuras

Conforme os pesquisadores continuam a explorar as complexas interações dentro dos supercondutores, ainda existem perguntas substanciais sobre os mecanismos que orientam seus comportamentos. A interação entre flutuações de spin e carga serve como um aspecto pivotal da pesquisa nessa área.

Identificar maneiras de modificar e otimizar essas interações pode levar a avanços em ciência dos materiais e tecnologia. Os pesquisadores também estão animados com o potencial de novos materiais supercondutores com propriedades únicas, impulsionados por uma compreensão mais profunda desses mecanismos subjacentes.

Através dessas investigações, a busca para descobrir novos materiais supercondutores continua, visando aplicações em tecnologia e energia que poderiam revolucionar a forma como armazenamos e transmitimos eletricidade. O conhecimento adquirido ao estudar sistemas multibanda e multisublattice certamente moldará o futuro da pesquisa em supercondutividade.

Conclusão

A supercondutividade é um campo de estudo fascinante e complexo. As interações entre flutuações de carga e spin influenciam significativamente o comportamento dos supercondutores, especialmente em materiais que não se conformam às teorias tradicionais. Ao empregar métodos teóricos modernos como a matriz-RPA, os cientistas podem ganhar insights mais profundos sobre essas interações e suas implicações para a supercondutividade.

À medida que a exploração de supercondutores não convencionais continua, a compreensão de como os graus de liberdade de sub-rede e orbital impactam comportamentos supercondutores ajudará a impulsionar a descoberta de novos materiais com propriedades notáveis. Essa pesquisa continuará sendo vital enquanto a humanidade busca aproveitar o incrível potencial dos supercondutores para aplicações futuras.

Fonte original

Título: Charge and spin fluctuations in superconductors with intersublattice and interorbital interactions

Resumo: Multiband superconductors have featured one of the main challenges to achieve a comprehensive understanding of unconventional superconductivity. Here, the multiband character is studied separately as orbital and sublattice degrees of freedom, as they have different effects for the superconducting and magnetic or charge orders. We build on the framework of the matrix random-phase approximation (RPA), which accounts for the RPA Feynman diagrams and also vertex corrections, to treat the electron-electron interactions in an off-site degenerate Hubbard model. As a result, systems without a sublattice degree of freedom tend to be dominated by spin fluctuations, while systems with multiple sublattice sites and orbitals have the charge fluctuations favored. Finally, we explicitly demonstrate that the known suppression of the superconducting pairing strength $\lambda$ by spin fluctuations from repulsive interactions at zero momentum transfer $\boldsymbol{q}$ is countered by the finite-$\boldsymbol{q}$ pairing, which always improves $\lambda$.

Autores: Lauro B. Braz, George B. Martins, Luis G. G. V. Dias da Silva

Última atualização: 2024-03-04 00:00:00

Idioma: English

Fonte URL: https://arxiv.org/abs/2403.02453

Fonte PDF: https://arxiv.org/pdf/2403.02453

Licença: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

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