Ansökan: Magnetism och supraledning i två unika material: grafen och hög-Tc supraledare

Tidsperiod:

1 januari 2011 – 31 december 2014

Projektledare:

Annica Black-Schaffer

Finansiär:

Vetenskapsrådet

Bidragstyp:

Projektbidrag

Budget:

4 288 000 SEK

Grafen består av ett enda lager av kolatomer som sitter arrangerade i ett hexagonalt mönster. Förutom att grafen är två-dimensionellt är det också en halvmetall med ett unikt energispektrum där excitationerna från grundtillståndet kan beskrivas på samma sätt som för relativistiska elektroner i vakuum. Grafen har också utnämnts till en stark potentiell kandidat till att ersätta kisel inom elektronikindustrin. Allt detta har bidragit till det enorma intresset runt grafen sedan 2004 när man lyckades isolera det som ett enskilt lager av grafit.

Hittills har nästan all teoretisk forskning utgått från en icke-växelverkande bild för elektronerna i grafen. Detta trots att flera resultat nyligen visat att grafen kanske till och med är en insulator på grund av starka elektron-elektron (el-el) växelverkanseffekter, så kallade korrelationer. Magnetism och supraledning är två av de mest studerade och intressanta fysiska tillstånd som kan uppkomma vid starka el-el korrelationer och jag ämnar teoretiskt studera båda dessa i grafen. Även om el-el korrelationerna inte är tillräckligt starka för att skapa ett magnetiskt tillstånd i vanligt grafen kan de ändå ha en stor effekt på de magnetiska egenskaperna. Ett exempel är om man planterar magnetiska defekter i grafen. Ju starkare el-el korrelationer desto större är i allmänhet det område runt defekten som blir magnetiserat. Det existerar till exempel flera experimentella rapporter om ett ferromagnetiskt tillstånd i defektrika grafitexemplar och det är troligt att el-el korrelationer är ytterst ansvariga för detta. Jag planerar att framförallt arbeta med magnetism relaterad till defekter i grafen, med fokus mot bland annat defektrik grafit.

Starka el-el korrelationer har dessutom teoretiskt visats sig ge upphov till ett exotiskt supraledande tillstånd i grafen. Dock har supraledning hittills bara åstadkommits experimentellt genom att man sätter supraledande kontakter på grafen och på så vis inducerar supraledning i grafen genom den så kallade proximitetseffekten. Dessa strukturer kallas Josephsonkopplingar och har öppnat för möjligheten att experimentellt studera samverkan mellan supraledning och grafen. Jag ämnar studera Josephsonkopplingar i grafen men även också utvidga tidigare arbete vad gäller teorin för el-el korrelationsdriven supraledning i grafen.

Det andra forskningsområdet i detta projekt rör högtemperatursupraledare som supraleder vid så höga temperaturer som 135 K. Ända sedan upptäckten av de supraledande kupraterna 1986 har frågan om vad som orsakar supraledning vid så höga temperaturer varit en av de allra största obesvarade frågorna inom fysiken. De flesta är ense om att kärnan till supraledning kommer från väldigt starka el-el korrelationer men exakt hur dessa ger upphov till supraledning är fortfarande ett mysterium. Om vi förstod denna mekanism skulle vi kunna designa supraledare vid ännu högre temperaturer vilket skulle vara mycket användbart inom många områden. Nyligen har mycket av forskningen runt dessa material fokuserat på den så kallade pseudogapsfasen. Det supraledande tillståndet uppkommer från pseudogapsfasen när temperaturen sänks och därför är denna fas av fundamental betydelse för att förstå supraledningen. Själva ordet pseudogap syftar på att många egenskaper i denna fas beter sig som om det fanns ett ordnat tillstånd med ett sorts energigap till de exciterade tillstånden men man har ännu inte lyckats karakterisera vad det är för ordning. Flera experimentella rapporter har på den senaste tiden visat att pseudogapet verkar bestå av en komplex magnetisk ordning men olika experimentella prober finner ofta något olika resultat. Samtidigt har det visat sig att om man noggrant undersöker de magnetiska egenskaperna genom elektronstrukturberäkningar finner man att högre ordningens magnetiska multipoler ofta är viktiga i dessa material. Dessa multipoler är inget annat än högre ordningens komponenter av magnetiseringsdensiteten, såsom quadru- eller octupoler. Magn