Nanotechnology Now - Pressemeddelelse: Forskere hos Purdue opdager, at superledende billeder faktisk er 3D og lidelsesdrevne fraktaler

Genudgivet af Platon

Abonnenter: 0

Home > Presse > Forskere ved Purdue opdager, at superledende billeder faktisk er 3D og lidelsesdrevne fraktaler

Abstract:
At opfylde verdens energibehov er ved at nå et kritisk punkt. At drive den teknologiske tidsalder har forårsaget problemer globalt. Det er stadig vigtigere at skabe superledere, der kan fungere ved omgivende tryk og temperatur. Dette ville gå langt i retning af at løse energikrisen.

Forskere ved Purdue opdager, at superledende billeder faktisk er 3D og lidelsesdrevne fraktaler

West Lafayette, IN | Udgivet den 12. maj 2023

Fremskridt med superledning afhænger af fremskridt inden for kvantematerialer. Når elektroner inde i kvantematerialer gennemgår en faseovergang, kan elektronerne danne indviklede mønstre, såsom fraktaler. En fraktal er et uendeligt mønster. Når du zoomer ind på en fraktal, ser billedet det samme ud. Almindeligt set fraktaler kan være et træ eller frost på en rude om vinteren. Fraktaler kan dannes i to dimensioner, som frosten på et vindue, eller i tredimensionelt rum som lemmerne af et træ.

Dr. Erica Carlson, en 150-års jubilæumsprofessor i fysik og astronomi ved Purdue University, ledede et team, der udviklede teoretiske teknikker til at karakterisere de fraktale former, som disse elektroner laver, for at afdække den underliggende fysik, der driver mønstrene.

Carlson, en teoretisk fysiker, har evalueret billeder i høj opløsning af elektronernes placering i superlederen Bi2-xPbzSr2-yLayCuO6+x (BSCO), og fastslået, at disse billeder faktisk er fraktale og opdaget, at de strækker sig ind i det fulde tredimensionelle rum optaget af materialet, som et træfyldningsrum.

Det, der engang blev tænkt som tilfældige spredninger i fraktalbillederne, er målrettede og, chokerende nok, ikke på grund af en underliggende kvantefaseovergang som forventet, men på grund af en forstyrrelsesdrevet faseovergang.

Carlson ledede et samarbejdende team af forskere på tværs af flere institutioner og offentliggjorde deres resultater, med titlen "Kritiske nematiske korrelationer gennem det superledende dopingområde i Bi2-xPbzSr2-yLayCuO6+x," i Nature Communications.

Holdet omfatter Purdue-forskere og partnerinstitutioner. Fra Purdue omfatter holdet Carlson, Dr. Forrest Simmons, nylig ph.d.-studerende, og tidligere ph.d.-studerende Dr. Shuo Liu og Dr. Benjamin Phillabaum. Purdue-teamet afsluttede deres arbejde inden for Purdue Quantum Science and Engineering Institute (PQSEI). Holdet fra partnerinstitutioner omfatter Dr. Jennifer Hoffman, Dr. Can-Li Song, Dr. Elizabeth Main fra Harvard University, Dr. Karin Dahmen fra University of Urbana-Champaign og Dr. Eric Hudson fra Pennsylvania State University.

"Observationen af fraktale mønstre af orienterende ('nematiske') domæner – klogt udtrukket af Carlson og samarbejdspartnere fra STM-billeder af overfladerne af krystaller af en cuprat højtemperatur-superleder – er interessant og æstetisk tiltalende i sig selv, men også af betydelig fundamental vigtighed i at få fat i den væsentlige fysik af disse materialer,” siger Dr. Steven Kivelson, Prabhu Goel-familieprofessor ved Stanford University og en teoretisk fysiker med speciale i nye elektroniske tilstande i kvantematerialer. "En eller anden form for nematisk orden, der typisk antages at være en avatar af en mere primitiv ladningstæthed-bølgeorden, er blevet formodet at spille en vigtig rolle i teorien om cuprates, men beviserne for dette forslag har tidligere været i bedste fald tvetydig. To vigtige konklusioner følger af Carlson et al.s analyse: 1) At de nematiske domæner fremstår fraktale, indebærer, at korrelationslængden – den afstand, som den nematiske orden opretholder sammenhængen over – er større end forsøgets synsfelt. hvilket betyder, at den er meget stor sammenlignet med andre mikroskopiske skalaer. 2) Det faktum, at mønstre, der karakteriserer rækkefølgen, er de samme som dem, der er opnået fra studier af den tredimensionelle random-field Ising-model – en af de paradigrmatiske modeller for klassisk statistisk mekanik – tyder på, at omfanget af den nematiske orden bestemmes af ydre mængder, og at det i sig selv (dvs. i fravær af krystallinske ufuldkommenheder) ville udvise korrelationer med endnu længere rækkevidde, ikke bare langs overfladen, men strækker sig dybt ind i krystallens bulk."

Højopløsningsbilleder af disse fraktaler er møjsommeligt taget i Hoffmans laboratorium ved Harvard University og Hudsons laboratorium, nu i Penn State, ved hjælp af scanning tunneling mikroskoper (STM) til at måle elektroner på overfladen af BSCO, en cuprate superleder. Mikroskopet scanner atom for atom hen over den øverste overflade af BSCO, og det, de fandt, var stribeorienteringer, der gik i to forskellige retninger i stedet for den samme retning. Resultatet, set ovenfor i rødt og blåt, er et takket billede, der danner interessante mønstre af elektroniske stribeorienteringer.

"De elektroniske mønstre er komplekse, med huller inde i hullerne og kanter, der ligner udsmykkede filigran," forklarer Carlson. ”Ved hjælp af teknikker fra fraktal matematik karakteriserer vi disse former ved hjælp af fraktale tal. Derudover bruger vi statistiske metoder fra faseovergange til at karakterisere ting som, hvor mange klynger der er af en vis størrelse, og hvor sandsynligt, at webstederne er i samme klynge."

Da Carlson-gruppen først analyserede disse mønstre, fandt de et overraskende resultat. Disse mønstre dannes ikke kun på overfladen som fladt lag fraktal adfærd, men de fylder rummet i tre dimensioner. Simuleringer for denne opdagelse blev udført på Purdue University ved hjælp af Purdues supercomputere på Rosen Center for Advanced Computing. Prøver på fem forskellige dopingniveauer blev målt af Harvard og Penn State, og resultatet var ens blandt alle fem prøver.

Det unikke samarbejde mellem Illinois (Dahmen) og Purdue (Carlson) bragte klyngeteknikker fra uordnet statistisk mekanik ind i feltet af kvantematerialer som superledere. Carlsons gruppe tilpassede teknikken til at anvende på kvantematerialer, og udvidede teorien om andenordens faseovergange til elektroniske fraktaler i kvantematerialer.

"Dette bringer os et skridt tættere på at forstå, hvordan cuprate-superledere fungerer," forklarer Carlson. "Medlemmer af denne familie af superledere er i øjeblikket de højeste temperatur superledere, der sker ved omgivende tryk. Hvis vi kunne få superledere, der arbejder ved omgivende tryk og temperatur, kunne vi komme langt i retning af at løse energikrisen, fordi de ledninger, vi i øjeblikket bruger til at drive elektronik, er metaller snarere end superledere. I modsætning til metaller bærer superledere strøm perfekt uden tab af energi. På den anden side bruger alle de ledninger, vi bruger i udendørs elledninger, metaller, som taber energi hele tiden, de fører strøm. Superledere er også af interesse, fordi de kan bruges til at generere meget høje magnetiske felter og til magnetisk levitation. De bruges i øjeblikket (med massive køleanordninger!) i MRI'er på hospitaler og svævende tog."

Næste trin for Carlson-gruppen er at anvende Carlson-Dahmen-klyngeteknikkerne på andre kvantematerialer.

"Ved at bruge disse klyngeteknikker har vi også identificeret elektroniske fraktaler i andre kvantematerialer, herunder vanadiumdioxid (VO2) og neodymnikkelater (NdNiO3). Vi formoder, at denne adfærd faktisk kan være ret allestedsnærværende i kvantematerialer,” siger Carlson.

Denne type opdagelse fører kvanteforskere tættere på at løse gåderne om superledning.

"Det generelle felt af kvantematerialer sigter mod at bringe materialers kvanteegenskaber på forkant, til et sted, hvor vi kan kontrollere dem og bruge dem til teknologi," forklarer Carlson. "Hver gang en ny type kvantemateriale opdages eller skabes, får vi nye muligheder, lige så dramatiske som malere, der opdager en ny farve at male med."

Finansiering af arbejdet på Purdue University til denne forskning omfatter National Science Foundation, Bilsland Dissertation Fellowship (for Dr. Liu) og Research Corporation for Science Advancement.

####

Om Purdue University
Purdue University er en top offentlig forskningsinstitution, der udvikler praktiske løsninger på nutidens hårdeste udfordringer. Rangeret i hvert af de sidste fem år som et af de 10 mest innovative universiteter i USA af US News & World Report, Purdue leverer verdensforandrende forskning og opdagelser uden for denne verden. Forpligtet til praktisk og online læring i den virkelige verden tilbyder Purdue en transformativ uddannelse til alle. Forpligtet til overkommelighed og tilgængelighed har Purdue fastfrosset undervisning og de fleste gebyrer på 2012-13 niveauer, hvilket gør det muligt for flere studerende end nogensinde at opgradere gældfrit. Se, hvordan Purdue aldrig stopper i den vedholdende jagt på det næste gigantiske spring kl https://stories.purdue.edu .

Om Institut for Fysik og Astronomi ved Purdue University

Purdue Institut for Fysik og Astronomi har en rig og lang historie, der går tilbage til 1904. Vores fakultet og studerende udforsker naturen i alle længdeskalaer, fra det subatomære til det makroskopiske og alt derimellem. Med et fremragende og mangfoldigt fællesskab af fakulteter, postdocs og studerende, der skubber nye videnskabelige grænser, tilbyder vi et dynamisk læringsmiljø, et inkluderende forskningsfællesskab og et engagerende netværk af forskere.

Fysik og astronomi er en af de syv afdelinger inden for Purdue University College of Science. Forskning i verdensklasse udføres inden for astrofysik, atom- og molekylær optik, acceleratormassespektrometri, biofysik, kondenseret stoffysik, kvanteinformationsvidenskab, partikel- og kernefysik. Vores state-of-the-art faciliteter er i Physics Building, men vores forskere engagerer sig også i tværfagligt arbejde i Discovery Park District i Purdue, især Birck Nanotechnology Center og Bindley Bioscience Center. Vi deltager også i global forskning, herunder ved Large Hadron Collider ved CERN, Argonne National Laboratory, Brookhaven National Laboratory, Fermilab, Stanford Linear Accelerator, James Webb Space Telescope og adskillige observatorier rundt om i verden.

Om Purdue Quantum Science and Engineering Institute (PQSEI)

Beliggende i Discovery Park District fremmer PQSEI udviklingen af praktiske og virkningsfulde aspekter af kvantevidenskab og fokuserer på at opdage og studere nye materialer, enheder og grundlæggende fysiske kvantesystemer, der vil være velegnede til integration i morgendagens teknologi. Det tilskynder til tværfagligt samarbejde, der fører til design og realisering af kvanteenheder med forbedret funktionalitet og ydeevne tæt på den grundlæggende grænse, med det formål i sidste ende at bringe dem til et stort fællesskab af brugere. PQSEI-fakultetet arbejder med en bred vifte af emner inden for kvantevidenskab og -teknik, herunder kvantematerialer og -enheder, kvantefotonik, atomær molekylær og optisk fysik, kvantekemi, kvantemåling og -kontrol, kvantesimulering og kvanteinformation og -beregning. Endelig arbejder PQSEI på at uddanne den næste generation af kvanteforskere og ingeniører for at imødekomme de voksende krav til kvantearbejdsstyrken.

For mere information, klik link.

Kontaktpersoner:
Brittany Steff
Purdue University
Kontor: 765-494-7833

Hvis du har en kommentar, tak Kontakt os.

Udstedere af nyhedsudgivelser, ikke 7th Wave, Inc. eller Nanotechnology Now, er alene ansvarlige for indholdets nøjagtighed.

Bogmærke: