Nanotechnology Now - Press Release: Researchers At Purdue Discover Superconductive Images Are Actually 3D And Disorder-driven Fractals

أعاد نشره أفلاطون

المتابعون: 0

الصفحة الرئيسية > صحافة > اكتشف الباحثون في جامعة بوردو أن الصور فائقة التوصيل هي في الواقع صور فركتلات ثلاثية الأبعاد ومحفوفة بالاضطراب

المستخلص:
وصلت تلبية متطلبات الطاقة في العالم إلى نقطة حرجة. تسبب تشغيل العصر التكنولوجي في حدوث مشكلات على مستوى العالم. من المهم بشكل متزايد إنشاء موصلات فائقة يمكنها العمل عند الضغط ودرجة الحرارة المحيطة. هذا من شأنه أن يقطع شوطا طويلا نحو حل أزمة الطاقة.

يكتشف الباحثون في جامعة بوردو أن الصور فائقة التوصيل هي في الواقع صور فركتلات ثلاثية الأبعاد ومحفوفة بالاضطراب

ويست لافاييت ، إنديانا | نُشر في 12 مايو 2023

التقدم في الموصلية الفائقة يتوقف على التقدم في المواد الكمومية. عندما تخضع الإلكترونات الموجودة داخل المواد الكمومية لانتقال طور ، يمكن للإلكترونات أن تشكل أنماطًا معقدة ، مثل الفركتلات. الفركتل هو نمط لا ينتهي. عند تكبير صورة كسورية ، تبدو الصورة متشابهة. يمكن أن تكون الفركتلات التي يتم رؤيتها بشكل شائع عبارة عن شجرة أو صقيع على زجاج النافذة في فصل الشتاء. يمكن أن تتكون الفركتلات في بعدين ، مثل الصقيع على النافذة ، أو في مساحة ثلاثية الأبعاد مثل أطراف الشجرة.

قادت الدكتورة إيريكا كارلسون ، أستاذة الفيزياء والفلك في الذكرى السنوية الـ 150 في جامعة بوردو ، فريقًا طور تقنيات نظرية لتوصيف الأشكال الكسورية التي تصنعها هذه الإلكترونات ، من أجل الكشف عن الفيزياء الأساسية التي تقود الأنماط.

قام كارلسون ، الفيزيائي النظري ، بتقييم الصور عالية الدقة لمواقع الإلكترونات في الموصل الفائق Bi2-xPbzSr2-yLayCuO6 + x (BSCO) ، وقرر أن هذه الصور كسورية بالفعل واكتشف أنها تمتد إلى الفضاء ثلاثي الأبعاد الكامل تحتلها المادة ، مثل مساحة ملء الشجرة.

ما كان يُعتقد في السابق أنه تشتيت عشوائي داخل الصور الكسورية كان هادفًا ، وبشكل صادم ، ليس بسبب انتقال طور كمي أساسي كما هو متوقع ، ولكن بسبب انتقال طور مدفوع بالاضطراب.

Carlson led a collaborative team of researchers across multiple institutions and published their findings, titled "Critical nematic correlations throughout the superconducting doping range in Bi2-xPbzSr2-yLayCuO6+x," in Nature Communications.

يضم الفريق علماء جامعة بيرديو والمؤسسات الشريكة. من بوردو ، يضم الفريق كارلسون والدكتور فورست سيمونز وطالب دكتوراه حديثًا وطلاب دكتوراه سابقين د. شو ليو ودكتور بنجامين فيلابوم. أكمل فريق بيرديو عملهم في معهد بوردو لعلوم وهندسة الكم (PQSEI). يضم فريق المؤسسات الشريكة الدكتورة جينيفر هوفمان والدكتورة كان لي سونغ والدكتورة إليزابيث مين من جامعة هارفارد والدكتورة كارين دامن من جامعة أوربانا شامبين والدكتور إريك هدسون من جامعة ولاية بنسلفانيا.

"إن ملاحظة الأنماط الكسورية للنطاقات التوجيهية ('nematic') - المستخرجة بذكاء من قبل كارلسون والمتعاونين من صور STM لأسطح بلورات الموصل الفائق ذو درجة الحرارة العالية من cuprate - مثيرة للاهتمام وجذابة من الناحية الجمالية من تلقاء نفسها ، ولكنها أيضًا ذات أهمية جوهرية يقول الدكتور ستيفن كيفلسون ، أستاذ عائلة برابهو جويل في جامعة ستانفورد وعالم الفيزياء النظرية المتخصص في الحالات الإلكترونية الجديدة في المواد الكمومية: "أهمية في التعامل مع الفيزياء الأساسية لهذه المواد". "بعض أشكال النظام النيماتيكي ، الذي يُعتقد عادةً أنه صورة رمزية لنظام أكثر بدائية لموجة كثافة الشحنة ، تم تخمينه ليلعب دورًا مهمًا في نظرية الكوبرات ، ولكن الدليل المؤيد لهذا الافتراض كان سابقًا غامضة في أحسن الأحوال. يتبع تحليل كارلسون وآخرون استنتاجان مهمان: 1) حقيقة أن المجالات nematic تظهر كسورية تشير إلى أن طول الارتباط - المسافة التي يحافظ النظام النيماتيكي على تماسكها - أكبر من مجال رؤية التجربة ، مما يعني أنه كبير جدًا مقارنة بالمقاييس المجهرية الأخرى. 2) حقيقة أن الأنماط التي تميز الترتيب هي نفسها التي تم الحصول عليها من دراسات نموذج Ising ثلاثي الأبعاد للحقل العشوائي - أحد النماذج النموذجية للميكانيكا الإحصائية الكلاسيكية - تشير إلى أن مدى الترتيب النيماتيكي يتحدد بواسطة خارجي الكميات وهذا جوهريًا (أي في حالة عدم وجود عيوب بلورية) سيُظهر ارتباطات أطول مدى ليس فقط على طول السطح ، ولكن تمتد إلى عمق الجزء الأكبر من البلورة. "

تم التقاط صور عالية الدقة لهذه الفركتلات بشق الأنفس في مختبر هوفمان في جامعة هارفارد ومختبر هدسون ، الآن في ولاية بنسلفانيا ، باستخدام مجاهر المسح النفقي (STM) لقياس الإلكترونات على سطح BSCO ، وهو موصل فائق نحاسي. يقوم المجهر بمسح الذرة بذرة عبر السطح العلوي لـ BSCO ، وما وجدوه هو اتجاهات شريطية تسير في اتجاهين مختلفين بدلاً من نفس الاتجاه. النتيجة ، الموضحة أعلاه باللونين الأحمر والأزرق ، هي صورة خشنة تشكل أنماطًا مثيرة للاهتمام لتوجهات الشريط الإلكتروني.

يوضح كارلسون: "الأنماط الإلكترونية معقدة ، بها ثقوب داخل الثقوب ، وحواف تشبه الصغر المزخرف". "باستخدام تقنيات من الرياضيات الفركتلية ، نميز هذه الأشكال باستخدام الأعداد الكسورية. بالإضافة إلى ذلك ، نستخدم طرق إحصائية من انتقالات الطور لتمييز أشياء مثل عدد المجموعات ذات الحجم المعين ، ومدى احتمالية أن تكون المواقع في نفس المجموعة ".

بمجرد تحليل مجموعة كارلسون لهذه الأنماط ، وجدوا نتيجة مفاجئة. لا تتشكل هذه الأنماط على السطح فقط مثل السلوك الكسري للطبقة المسطحة ، ولكنها تملأ الفراغ بثلاثة أبعاد. تم إجراء عمليات محاكاة لهذا الاكتشاف في جامعة بوردو باستخدام حواسيب بوردو العملاقة في مركز روزن للحوسبة المتقدمة. تم قياس العينات في خمسة مستويات مختلفة من المنشطات من قبل جامعة هارفارد وبن ، وكانت النتيجة متشابهة بين جميع العينات الخمس.

جلب التعاون الفريد بين إلينوي (داهمن) وبوردو (كارلسون) تقنيات الكتلة من الميكانيكا الإحصائية المضطربة إلى مجال المواد الكمومية مثل الموصلات الفائقة. قامت مجموعة كارلسون بتكييف التقنية لتطبيقها على المواد الكمومية ، مما وسع نظرية انتقالات المرحلة الثانية إلى الفركتلات الإلكترونية في المواد الكمومية.

يوضح كارلسون: "هذا يقربنا خطوة واحدة من فهم كيفية عمل الموصلات الفائقة النحاسية". أعضاء هذه العائلة من الموصلات الفائقة هم حاليًا أعلى الموصلات الفائقة في درجات الحرارة التي تحدث عند الضغط المحيط. إذا تمكنا من الحصول على موصلات فائقة تعمل تحت الضغط ودرجة الحرارة المحيطة ، فيمكننا قطع شوط طويل نحو حل أزمة الطاقة لأن الأسلاك التي نستخدمها حاليًا لتشغيل الإلكترونيات هي معادن وليست موصلات فائقة. على عكس المعادن ، تحمل الموصلات الفائقة التيار بشكل مثالي دون فقدان الطاقة. من ناحية أخرى ، فإن جميع الأسلاك التي نستخدمها في خطوط الطاقة الخارجية تستخدم معادن ، والتي تفقد الطاقة طوال الوقت الذي تحمل فيه التيار. تعتبر الموصلات الفائقة موضع اهتمام أيضًا لأنه يمكن استخدامها لتوليد مجالات مغناطيسية عالية جدًا ، وللرفع المغناطيسي. يتم استخدامها حاليًا (مع أجهزة تبريد ضخمة!) في التصوير بالرنين المغناطيسي في المستشفيات والقطارات المرتفعة ".

تتمثل الخطوات التالية لمجموعة كارلسون في تطبيق تقنيات الكتلة كارلسون داهمن على مواد كمومية أخرى.

"باستخدام تقنيات الكتلة هذه ، حددنا أيضًا الفركتلات الإلكترونية في مواد كمومية أخرى ، بما في ذلك ثاني أكسيد الفاناديوم (VO2) ونيكلات النيوديميوم (NdNiO3). يقول كارلسون: "نعتقد أن هذا السلوك قد يكون موجودًا في كل مكان في المواد الكمومية".

يقود هذا النوع من الاكتشاف علماء الكم إلى الاقتراب من حل ألغاز الموصلية الفائقة.

“The general field of quantum materials aims to bring to the forefront the quantum properties of materials, to a place where we can control them and use them for technology,” Carlson explains. “Each time a new type of quantum material is discovered or created, we gain new capabilities, as dramatic as painters discovering a new color to paint with."

يشمل تمويل العمل في جامعة بوردو لهذا البحث مؤسسة العلوم الوطنية ، وزمالة أطروحة بيلسلاند (للدكتور ليو) ، ومؤسسة الأبحاث للتقدم العلمي.

####

عن جامعة بوردو
تعد جامعة بوردو من أفضل المؤسسات البحثية العامة التي تعمل على تطوير حلول عملية لأصعب تحديات اليوم. تم تصنيف جامعة بوردو في كل من السنوات الخمس الماضية كواحدة من أكثر 10 جامعات ابتكارًا في الولايات المتحدة من قبل US News & World Report ، وهي تقدم أبحاثًا تغير العالم واكتشافًا خارج هذا العالم. ملتزمة بالتعلم العملي عبر الإنترنت ، تقدم Purdue تعليمًا تحويليًا للجميع. ملتزمة بالقدرة على تحمل التكاليف وإمكانية الوصول ، جمدت جامعة بوردو الرسوم الدراسية ومعظم الرسوم في مستويات 2012-13 ، مما مكن عددًا أكبر من الطلاب من التخرج بدون ديون أكثر من أي وقت مضى. شاهد كيف لا يتوقف Purdue أبدًا في السعي الدؤوب للقفزة العملاقة التالية عند https://stories.purdue.edu .

حول قسم الفيزياء وعلم الفلك في جامعة بوردو

يمتلك قسم الفيزياء والفلك في جامعة بيرديو تاريخًا غنيًا وطويلًا يعود تاريخه إلى عام 1904. يقوم أعضاء هيئة التدريس والطلاب لدينا باستكشاف الطبيعة على جميع المقاييس ، بدءًا من ما تحت الذري إلى الماكروسكوبي وكل شيء بينهما. من خلال مجتمع ممتاز ومتنوع من أعضاء هيئة التدريس وما بعد الدكتوراة والطلاب الذين يدفعون آفاقًا علمية جديدة ، نقدم بيئة تعليمية ديناميكية ومجتمعًا بحثيًا شاملاً وشبكة تفاعلية من العلماء.

الفيزياء وعلم الفلك هو أحد الأقسام السبعة في كلية العلوم بجامعة بوردو. يتم إجراء أبحاث على مستوى عالمي في الفيزياء الفلكية ، والبصريات الذرية والجزيئية ، وقياس الطيف الكتلي للمسرع ، والفيزياء الحيوية ، وفيزياء المادة المكثفة ، وعلوم المعلومات الكمومية ، والفيزياء الجسيمية والنووية. توجد مرافقنا الحديثة في مبنى الفيزياء ، لكن باحثينا يشاركون أيضًا في عمل متعدد التخصصات في ديسكفري بارك ديستريكت في بيرديو ، ولا سيما مركز بيرك لتقنية النانو ومركز بيندلي للعلوم البيولوجية. نشارك أيضًا في الأبحاث العالمية بما في ذلك مصادم الهادرونات الكبير في سيرن ، ومختبر أرغون الوطني ، ومختبر بروكهافن الوطني ، وفيرميلاب ، ومسرّع ستانفورد الخطي ، وتلسكوب جيمس ويب الفضائي ، والعديد من المراصد حول العالم.

حول معهد بوردو لعلوم وهندسة الكم (PQSEI)

يقع PQSEI في منطقة ديسكفري بارك ، ويعزز تطوير الجوانب العملية والمؤثرة لعلوم الكم ويركز على اكتشاف ودراسة المواد والأجهزة الجديدة وأنظمة الكم الفيزيائية الأساسية التي ستكون مناسبة للاندماج في تكنولوجيا الغد. يشجع التعاون متعدد التخصصات الذي يؤدي إلى تصميم وتحقيق الأجهزة الكمية مع وظائف وأداء محسّن بالقرب من الحد الأساسي ، بهدف تقديمها في نهاية المطاف إلى مجتمع واسع من المستخدمين. يعمل أعضاء هيئة التدريس في PQSEI على مجموعة واسعة من الموضوعات في علوم وهندسة الكم بما في ذلك المواد والأجهزة الكمومية ، والضوئيات الكمومية ، والفيزياء الجزيئية والضوئية الذرية ، وكيمياء الكم ، والقياس والتحكم الكمومي ، والمحاكاة الكمومية ، والمعلومات الكمومية والحوسبة. أخيرًا ، يعمل PQSEI على تدريب الجيل القادم من علماء ومهندسي الكم من أجل تلبية متطلبات القوى العاملة الكمية المتزايدة.

لمزيد من المعلومات ، يرجى الضغط هنا

جهات الاتصال:
بريتاني ستيف
جامعة بوردو
مكتب: 765-494-7833

حقوق النشر © جامعة بوردو

إذا كان لديك تعليق ، من فضلك اتصل بنا لنا.

جهات إصدار النشرات الإخبارية ، وليس 7th Wave، Inc. أو Nanotechnology Now ، هي المسؤولة وحدها عن دقة المحتوى.

المرجعية: