Wetenschappers hebben een nieuwe microscopische theorie ontwikkeld die verklaart hoe interacties tussen specifieke anyonen kunnen leiden tot supergeleiding. De theorie verbindt elektronische interacties in een licht gedoteerde Laughlin-toestand met de fysica van een resonerend anyon-gas.
In een recent gepubliceerd onderzoek op arxiv.org presenteren Qingchen Li en collega's een theoretisch kader voor anyon-supergeleiding. De onderzoekers richten zich hierbij op anyonen met een lading van $2e/3$. Door gebruik te maken van geometrische kwantisatie van Laughlin-quasiholes, is het team erin geslaagd een effectieve veel-deeltjeshamiltoniaan af te leiden. Deze beschrijft onder meer de dispersie, de valleistructuur en de statistische interacties van deze zeldzame ladingen.
De rol van resonantie en pairing
De kern van de nieuwe theorie draait om het concept van een twee-lichaamsbindingsresonantie. In analogie met resonante Fermi- en Bose-gassen, organiseren de wetenschappers het probleem van de diffuse anyonen rond deze resonantie. Voor een gas van anyonen met drie valleien en een lading van $2e/3$ identificeerden zij een specifieke resonantie waarvan de lange-afstandsgedraging wordt gestuurd door een Aharonov-Casher anyon-hamiltoniaan.
Een cruciaal resultaat van dit onderzoek is de demonstratie van "Cooper-pair off-diagonal long-range order", direct uitgedrukt in elektroncoördinaten. Hiermee kunnen de onderzoekers de vortex-lattice structuur en de pairingsymmetrie bepalen. Volgens de publicatie op bepaalt een marginale drie-lichaamscontactinteractie in het valley-singletkanaal, samen met een relevante pair-detuning, de geluidssnelheid en de samendrukbaarheid van het systeem.
Context van anyon-supergeleiding
Het concept van supergeleiding door anyonen is al langer een onderwerp van theoretische discussie. Eerdere studies probeerden te verklaren hoe supergeleiding kan ontstaan uit repulsieve interacties. Zo beschreven onderzoekers in een eerdere publicatie op arxiv.org hoe een energiehiërarchie van anyonen natuurlijk ontstaat in fractionele Chern-isolatoren (FCIs). In dat specifieke scenario, bij vullingen van $\nu = 2/(4p \mp 1)$, kan een overgang naar een zogenaamd "semion-kristal" leiden tot versterkte Cooper-pair correlaties, waardoor een conventionele lading-2e supergeleider verschijnt bij dotering.
Daarnaast is er onderzoek gedaan naar niet-interagerende anyonen met $1/3$ statistiek. Volgens een artikel op arxiv.org kan een gas van anyonen met een lading van $e/3$ supergeleidend worden via een "hidden weak-pairing" mechanisme. In dit model fungeren fluctuaties in het statistische gauge-veld als de "lijm" die composite fermions drijft in een gepaarde staat. Dit staat in contrast met het klassieke beeld van Laughlin, waarbij anyonen eerst binden tot moleculen met een lading van $2e/3$ voordat supergeleiding optreedt.
Experimentele implicaties en materialen
De theoretische modellen vinden een mogelijke praktische toepassing in moiré-materialen. Professor Eslam Khalaf, een van de auteurs van de nieuwste theorie, heeft in een presentatie via de University of Toronto toegelicht hoe anyon-dispersie en binding microscopisch ontstaan in fractionele quantum anomale Hall (FQAH) toestanden.
Khalaf stelt dat de interactie tussen anyon-dispersie en lokalisatie door wanorde een natuurlijke verklaring biedt voor recente experimentele waarnemingen. Dit betreft specifiek de observatie van supergeleiding en re-entrante integer quantum Hall-toestanden bij het doteren van de $2/3$ FQAH-toestand in getwist $\text{MoTe}_2$. De nieuwste microscopische theorie biedt een gecontroleerd kader om deze complexe materie te begrijpen, waarbij bindingdrempels tussen concurrerende anyon-composieten universele resonante regimes creëren die voorheen niet volledig in kaart waren gebracht.