Открытие «внезапной смерти» бросает вызов нашему пониманию сверхпроводимости
Вихри квантового хаоса, спонтанно возникающие в атомно тонких слоях изоляционного материала, поставили физиков в тупик, потребовав пересмотра моделей, которые могли бы решить некоторые насущные проблемы в поисках понимания сверхпроводимости.
Физики-экспериментаторы из Принстонского университета в Национальный институт материаловедения США и Японии исследовали спонтанное появление квантовых флуктуаций в точке перехода от электронной пробки к сверхпроводящей автостраде, пересекающей двумерный ландшафт.
«Как возникает сверхпроводящая фаза можно перевести в другую фазу, — это интригующая область исследований», — говорит физик из Принстона и старший автор Санфэн Ву.
«И мы интересовались этой проблемой атомно тонких, чистых и монокристаллических материалов. какое-то время.»
Электронам, дрейфующим по медной проводке за гипсокартоном, трудно перемещаться от А к Б. Включите телевизор, и в этих проводах разворачивается безумие в час пик, когда электроны отклоняются. и стучат, гудят своими крошечными электронными рожками и трясут крошечными электронными кулачками, пока их крошечные электронные двигатели перегреваются.
Сверхпроводимость — это мечта. Это легкое движение от начала до конца. Никакого тепла, никаких потерь энергии. Он настолько эффективен, насколько это возможно, идеально подходит для генерации мощных электромагнитных полей или высокоскоростных вычислений, которые не превращаются в лужу.
Однако создать такую фазу проводимости не так-то просто. Это происходит, когда электроны теряют чувство индивидуальности и синхронизируются, образуя так называемые куперовские пары, способные договариваться о соседстве атомов с легкостью, подобной дзен.
Это требует уровня хладнокровия, достижимого только с некоторыми довольно впечатляющее, мощное оборудование. Однако если бы исследователи могли точно понять, что вызывает этот квантовый переход и какую роль играет температура, они, возможно, смогли бы обойтись немного меньшим охлаждением.
Одно из направлений исследований включает изучение квантового поведения захваченных электронов. на том, что фактически является 2D-поверхностями. Лишенные способности двигаться вверх и вниз, квантовые явления значительно усложняют переход в сверхпроводящее состояние.
«Когда вы переходите в более низкие измерения, флуктуации становятся настолько сильными, что «убивают» любую возможность. сверхпроводимости», — говорит физик из Принстона Най Фуан Онг.
Главного убийцу дзен-состояния электрона лучше всего описать как квантовый вихрь. Или, как описывает это Онг, «квантовые версии водоворота, наблюдаемого, когда вы сливаете воду из ванны».
Согласно так называемому переходу БКТ, возникшему после нобелевских лауреатов Вадима Березинского, Джона Костерлица и Дэвида Таулесса, эти убийственные водовороты гибели исчезают в двумерных материалах, когда температура падает достаточно низко.
Исследуя это пространство квантовых торнадо, разрушающих сверхпроводящие состояния, Ву и его команда создали один слой полуметаллического дителлурида вольфрама, который при температуре выше абсолютного нуля является изолятором, подавляющим энергию.
Однако накачка достаточного количества электронов заставляет ток течь сверхпроводящим образом.
Тем не менее, Исследователи заметили нечто весьма странное, когда температура резко упала. Добавьте достаточно электронов, и вы получите сверхпроводимость. Однако на критическом уровне электронного движения эти вихри квантового безумия возвращаются, отключая ток.
Измерение вихрей показало, что это не обычные квантовые вихри, остающиеся устойчивыми при более высоких температурах. и магнитные поля, чем диктует теория. Когда количество электронов падает ниже определенного количества, вихри внезапно исчезают.
«Мы ожидали, что сильные флуктуации будут сохраняться ниже критической плотности электронов на несверхпроводящей стороне, точно так же, как сильные флуктуации, наблюдаемые хорошо выше температуры перехода BKT», — говорит Ву.
«Тем не менее, мы обнаружили, что вихревые сигналы «внезапно» исчезают в тот момент, когда достигается критическая плотность электронов. И это было шоком. Мы можем» Совершенно невозможно объяснить это наблюдение – «внезапную смерть» колебаний».
Новые модели открывают возможности новых направлений исследований, которые могут привести к созданию новых технологий. Учитывая потенциальную выгоду от разработки сверхпроводимости при комнатной температуре, полезно иметь хорошую карту погоды на квантовом ландшафте.
Это исследование было опубликовано в журнале Nature Physics. р>
