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

Αναδημοσίευση από τον Πλάτωνα

Ακολουθούν: 0

Αρχική > Τύπος > Οι ερευνητές στο Purdue ανακαλύπτουν ότι οι υπεραγώγιμες εικόνες είναι στην πραγματικότητα 3D και φράκταλ που οδηγούνται από διαταραχές

Περίληψη:
Η κάλυψη των παγκόσμιων ενεργειακών απαιτήσεων φτάνει σε ένα κρίσιμο σημείο. Η τροφοδοσία της τεχνολογικής εποχής έχει προκαλέσει προβλήματα παγκοσμίως. Είναι όλο και πιο σημαντικό να δημιουργηθούν υπεραγωγοί που να μπορούν να λειτουργούν σε πίεση και θερμοκρασία περιβάλλοντος. Αυτό θα βοηθούσε πολύ στην επίλυση της ενεργειακής κρίσης.

Οι ερευνητές στο Purdue ανακαλύπτουν ότι οι υπεραγώγιμες εικόνες είναι στην πραγματικότητα τρισδιάστατα φράκταλ που οδηγούνται από διαταραχές

West Lafayette, IN | Δημοσιεύτηκε στις 12 Μαΐου 2023

Οι εξελίξεις στην υπεραγωγιμότητα εξαρτώνται από τις προόδους στα κβαντικά υλικά. Όταν τα ηλεκτρόνια μέσα σε κβαντικά υλικά υφίστανται μια μετάβαση φάσης, τα ηλεκτρόνια μπορούν να σχηματίσουν περίπλοκα μοτίβα, όπως φράκταλ. Ένα φράκταλ είναι ένα μοτίβο που δεν τελειώνει ποτέ. Όταν κάνετε μεγέθυνση σε ένα φράκταλ, η εικόνα φαίνεται ίδια. Τα φράκταλ που εμφανίζονται συνήθως μπορεί να είναι ένα δέντρο ή παγετός σε ένα τζάμι το χειμώνα. Τα φράκταλ μπορούν να σχηματιστούν σε δύο διαστάσεις, όπως ο παγετός σε ένα παράθυρο, ή σε τρισδιάστατο χώρο όπως τα άκρα ενός δέντρου.

Η Dr. Erica Carlson, Καθηγήτρια Φυσικής και Αστρονομίας για την 150η επέτειο στο Πανεπιστήμιο Purdue, ηγήθηκε μιας ομάδας που ανέπτυξε θεωρητικές τεχνικές για τον χαρακτηρισμό των φράκταλ σχημάτων που δημιουργούν αυτά τα ηλεκτρόνια, προκειμένου να αποκαλυφθεί η υποκείμενη φυσική που οδηγεί τα μοτίβα.

Ο Carlson, ένας θεωρητικός φυσικός, αξιολόγησε εικόνες υψηλής ανάλυσης των θέσεων των ηλεκτρονίων στον υπεραγωγό Bi2-xPbzSr2-yLayCuO6+x (BSCO) και διαπίστωσε ότι αυτές οι εικόνες είναι πράγματι φράκταλ και ανακάλυψε ότι εκτείνονται σε ολόκληρο τον τρισδιάστατο χώρο καταλαμβάνεται από το υλικό, σαν χώρος που γεμίζει δέντρο.

Αυτό που κάποτε θεωρούνταν τυχαίες διασπορές εντός των φράκταλ εικόνων είναι σκόπιμες και, σοκαριστικά, δεν οφείλονται σε μια υποκείμενη κβαντική μετάβαση φάσης όπως αναμενόταν, αλλά σε μια μετάβαση φάσης που καθοδηγείται από διαταραχές.

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.

Η ομάδα περιλαμβάνει επιστήμονες του Purdue και συνεργαζόμενα ιδρύματα. Από το Purdue, η ομάδα περιλαμβάνει τον Carlson, τον Dr. Forrest Simmons, πρόσφατο διδακτορικό φοιτητή και τους πρώην διδακτορικούς φοιτητές τους Dr. Shuo Liu και Dr. Benjamin Phillabaum. Η ομάδα Purdue ολοκλήρωσε το έργο της στο Purdue Quantum Science and Engineering Institute (PQSEI). Η ομάδα των συνεργαζόμενων ιδρυμάτων περιλαμβάνει τη Δρ. Τζένιφερ Χόφμαν, τη Δρ. Καν-Λι Σονγκ, τη Δρ. Ελίζαμπεθ Μέιν του Πανεπιστημίου του Χάρβαρντ, τη Δρ. Κάριν Ντάμεν από το Πανεπιστήμιο της Ουρμπάνα-Σαμπέιν και τον Δρ. Έρικ Χάντσον του Κρατικού Πανεπιστημίου της Πενσυλβάνια.

«Η παρατήρηση φράκταλ μοτίβων προσανατολιστικών («νηματικών») περιοχών – που εξήχθη έξυπνα από τον Carlson και τους συνεργάτες από εικόνες STM των επιφανειών των κρυστάλλων ενός υπεραγωγού υψηλής θερμοκρασίας σε χαλκό – είναι ενδιαφέρουσα και αισθητικά ελκυστική από μόνη της, αλλά και σημαντική θεμελιώδη Είναι σημαντικό να καταλάβουμε τη βασική φυσική αυτών των υλικών», λέει ο Δρ. Στίβεν Κίβελσον, καθηγητής της οικογένειας Prabhu Goel στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ και θεωρητικός φυσικός που ειδικεύεται στις νέες ηλεκτρονικές καταστάσεις στα κβαντικά υλικά. «Κάποια μορφή νηματικής τάξης, που συνήθως πιστεύεται ότι είναι ένα είδωλο μιας πιο πρωτόγονης τάξης κυμάτων πυκνότητας φορτίου, έχει εικαστεί ότι παίζει σημαντικό ρόλο στη θεωρία των χαλκού, αλλά τα στοιχεία υπέρ αυτής της πρότασης είχαν προηγουμένως διφορούμενη στην καλύτερη περίπτωση. Δύο σημαντικά συμπεράσματα προκύπτουν από την ανάλυση των Carlson et al.: 1) Το γεγονός ότι οι νηματικές περιοχές εμφανίζονται φράκταλ σημαίνει ότι το μήκος συσχέτισης - η απόσταση στην οποία η νηματική τάξη διατηρεί τη συνοχή - είναι μεγαλύτερη από το οπτικό πεδίο του πειράματος. που σημαίνει ότι είναι πολύ μεγάλο σε σύγκριση με άλλες μικροσκοπικές κλίμακες. 2) Το γεγονός ότι τα μοτίβα που χαρακτηρίζουν τη σειρά είναι τα ίδια με εκείνα που προέκυψαν από μελέτες του τρισδιάστατου μοντέλου Ising τυχαίων πεδίων - ένα από τα παραδειγματικά μοντέλα της κλασικής στατιστικής μηχανικής - υποδηλώνει ότι η έκταση της νηματικής τάξης καθορίζεται από εξωγενείς ποσότητες και ότι εγγενώς (δηλαδή απουσία κρυσταλλικών ατελειών) θα εμφάνιζε ακόμη μεγαλύτερης εμβέλειας συσχετίσεις όχι μόνο κατά μήκος της επιφάνειας, αλλά εκτεινόμενη βαθιά στο μεγαλύτερο μέρος του κρυστάλλου.»

Εικόνες υψηλής ανάλυσης αυτών των φράκταλ λαμβάνονται με κόπο στο εργαστήριο του Hoffman στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ και στο εργαστήριο του Hudson, τώρα στο Penn State, χρησιμοποιώντας μικροσκόπια σάρωσης σήραγγας (STM) για τη μέτρηση ηλεκτρονίων στην επιφάνεια του BSCO, ενός χαλκού υπεραγωγού. Το μικροσκόπιο σαρώνει άτομο προς άτομο στην επάνω επιφάνεια του BSCO και αυτό που βρήκαν ήταν προσανατολισμοί λωρίδων που πήγαιναν σε δύο διαφορετικές κατευθύνσεις αντί για την ίδια κατεύθυνση. Το αποτέλεσμα, που φαίνεται παραπάνω με κόκκινο και μπλε, είναι μια οδοντωτή εικόνα που σχηματίζει ενδιαφέροντα μοτίβα ηλεκτρονικών προσανατολισμών λωρίδων.

«Τα ηλεκτρονικά μοτίβα είναι πολύπλοκα, με τρύπες στο εσωτερικό των οπών και άκρες που μοιάζουν με περίτεχνα φιλιγκράν», εξηγεί ο Carlson. «Χρησιμοποιώντας τεχνικές από τα μαθηματικά φράκταλ, χαρακτηρίζουμε αυτά τα σχήματα χρησιμοποιώντας αριθμούς φράκταλ. Επιπλέον, χρησιμοποιούμε στατιστικές μεθόδους από μεταβάσεις φάσης για να χαρακτηρίσουμε πράγματα όπως πόσα συμπλέγματα είναι συγκεκριμένου μεγέθους και πόσο πιθανό είναι οι τοποθεσίες να βρίσκονται στο ίδιο σύμπλεγμα."

Μόλις η ομάδα Carlson ανέλυσε αυτά τα μοτίβα, βρήκε ένα εκπληκτικό αποτέλεσμα. Αυτά τα μοτίβα δεν σχηματίζονται μόνο στην επιφάνεια όπως η συμπεριφορά φράκταλ επίπεδης στρώσης, αλλά γεμίζουν χώρο σε τρεις διαστάσεις. Οι προσομοιώσεις για αυτήν την ανακάλυψη πραγματοποιήθηκαν στο Πανεπιστήμιο Purdue χρησιμοποιώντας τους υπερυπολογιστές του Purdue στο Rosen Center for Advanced Computing. Τα δείγματα σε πέντε διαφορετικά επίπεδα ντόπινγκ μετρήθηκαν από το Χάρβαρντ και το Πεν Στέιτ, και το αποτέλεσμα ήταν παρόμοιο και στα πέντε δείγματα.

Η μοναδική συνεργασία μεταξύ του Illinois (Dahmen) και του Purdue (Carlson) έφερε τεχνικές συμπλέγματος από διαταραγμένη στατιστική μηχανική στο πεδίο των κβαντικών υλικών όπως οι υπεραγωγοί. Η ομάδα του Carlson προσάρμοσε την τεχνική για να εφαρμοστεί σε κβαντικά υλικά, επεκτείνοντας τη θεωρία των μεταπτώσεων φάσης δεύτερης τάξης σε ηλεκτρονικά φράκταλ σε κβαντικά υλικά.

«Αυτό μας φέρνει ένα βήμα πιο κοντά στην κατανόηση του τρόπου λειτουργίας των υπεραγωγών χαλκού», εξηγεί ο Carlson. «Τα μέλη αυτής της οικογένειας υπεραγωγών είναι επί του παρόντος οι υπεραγωγοί με την υψηλότερη θερμοκρασία που συμβαίνουν σε πίεση περιβάλλοντος. Εάν μπορούσαμε να αποκτήσουμε υπεραγωγούς που λειτουργούν σε πίεση και θερμοκρασία περιβάλλοντος, θα μπορούσαμε να προχωρήσουμε πολύ στην επίλυση της ενεργειακής κρίσης, επειδή τα καλώδια που χρησιμοποιούμε επί του παρόντος για τη λειτουργία ηλεκτρονικών είναι μέταλλα και όχι υπεραγωγοί. Σε αντίθεση με τα μέταλλα, οι υπεραγωγοί μεταφέρουν ρεύμα τέλεια χωρίς απώλεια ενέργειας. Από την άλλη πλευρά, όλα τα καλώδια που χρησιμοποιούμε σε εξωτερικές γραμμές ηλεκτρικού ρεύματος χρησιμοποιούν μέταλλα, τα οποία χάνουν ενέργεια όλη την ώρα που μεταφέρουν ρεύμα. Οι υπεραγωγοί παρουσιάζουν επίσης ενδιαφέρον επειδή μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία πολύ υψηλών μαγνητικών πεδίων και για μαγνητική αιώρηση. Επί του παρόντος χρησιμοποιούνται (με τεράστιες συσκευές ψύξης!) σε μαγνητικές τομογραφίες σε νοσοκομεία και αιωρούμενα τρένα».

Τα επόμενα βήματα για την ομάδα Carlson είναι η εφαρμογή των τεχνικών συστάδων Carlson-Dahmen σε άλλα κβαντικά υλικά.

«Χρησιμοποιώντας αυτές τις τεχνικές συμπλέγματος, έχουμε επίσης εντοπίσει ηλεκτρονικά φράκταλ σε άλλα κβαντικά υλικά, συμπεριλαμβανομένου του διοξειδίου του βαναδίου (VO2) και του νικελίου νεοδυμίου (NdNiO3). Υποψιαζόμαστε ότι αυτή η συμπεριφορά μπορεί στην πραγματικότητα να είναι αρκετά πανταχού παρούσα στα κβαντικά υλικά», λέει ο Carlson.

Αυτό το είδος ανακάλυψης οδηγεί τους κβαντικούς επιστήμονες πιο κοντά στην επίλυση των γρίφων της υπεραγωγιμότητας.

“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."

Η χρηματοδότηση για την εργασία στο Πανεπιστήμιο Purdue για αυτήν την έρευνα περιλαμβάνει το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών, την υποτροφία Bilsland Dissertation Fellowship (για τον Dr. Liu) και την Research Corporation for Science Advancement.

####

Σχετικά με το Πανεπιστήμιο Purdue
Το Πανεπιστήμιο Purdue είναι ένα κορυφαίο δημόσιο ερευνητικό ίδρυμα που αναπτύσσει πρακτικές λύσεις στις πιο δύσκολες προκλήσεις του σήμερα. Κατατάσσεται σε καθένα από τα τελευταία πέντε χρόνια ως ένα από τα 10 πιο καινοτόμα πανεπιστήμια στις Ηνωμένες Πολιτείες από το US News & World Report, το Purdue προσφέρει έρευνα που αλλάζει τον κόσμο και ανακάλυψη εκτός αυτού του κόσμου. Δεσμευμένο στην πρακτική και διαδικτυακή μάθηση σε πραγματικό κόσμο, το Purdue προσφέρει μια μεταμορφωτική εκπαίδευση σε όλους. Δεσμευμένο στην οικονομική προσιτότητα και την προσβασιμότητα, το Purdue έχει παγώσει τα δίδακτρα και τα περισσότερα δίδακτρα στα επίπεδα 2012-13, δίνοντας τη δυνατότητα σε περισσότερους φοιτητές από ποτέ να αποφοιτήσουν χωρίς χρέη. Δείτε πώς ο Purdue δεν σταματά ποτέ στην επίμονη αναζήτηση του επόμενου γιγαντιαίου άλματος στο https://stories.purdue.edu .

Σχετικά με το Τμήμα Φυσικής και Αστρονομίας στο Πανεπιστήμιο Purdue

Το Τμήμα Φυσικής και Αστρονομίας του Purdue έχει μια πλούσια και μακρά ιστορία που χρονολογείται από το 1904. Η σχολή και οι φοιτητές μας εξερευνούν τη φύση σε όλες τις κλίμακες, από την υποατομική έως τη μακροσκοπική και οτιδήποτε ενδιάμεσα. Με μια εξαιρετική και ποικιλόμορφη κοινότητα καθηγητών, μεταδιδακτορικών και φοιτητών που προωθούν νέα επιστημονικά όρια, προσφέρουμε ένα δυναμικό περιβάλλον μάθησης, μια ερευνητική κοινότητα χωρίς αποκλεισμούς και ένα ελκυστικό δίκτυο μελετητών.

Η Φυσική και η Αστρονομία είναι ένα από τα επτά τμήματα του Purdue University College of Science. Πραγματοποιείται έρευνα παγκόσμιας κλάσης στην αστροφυσική, την ατομική και μοριακή οπτική, τη φασματομετρία μάζας επιταχυντών, τη βιοφυσική, τη φυσική συμπυκνωμένης ύλης, την επιστήμη της κβαντικής πληροφορίας, την σωματιδιακή και πυρηνική φυσική. Οι υπερσύγχρονες εγκαταστάσεις μας βρίσκονται στο Physics Building, αλλά οι ερευνητές μας ασχολούνται επίσης με διεπιστημονική εργασία στην περιοχή Discovery Park District στο Purdue, ιδιαίτερα στο Birck Nanotechnology Center και το Bindley Bioscience Center. Συμμετέχουμε επίσης σε παγκόσμια έρευνα, συμπεριλαμβανομένου του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων στο CERN, στο Εθνικό Εργαστήριο Argonne, στο Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven, στο Fermilab, στον Γραμμικό Επιταχυντή του Στάνφορντ, στο Διαστημικό Τηλεσκόπιο James Webb και σε πολλά παρατηρητήρια σε όλο τον κόσμο.

Σχετικά με το Purdue Quantum Science and Engineering Institute (PQSEI)

Το PQSEI, το οποίο βρίσκεται στην περιοχή Discovery Park District, προωθεί την ανάπτυξη πρακτικών και επιδραστικών πτυχών της κβαντικής επιστήμης και εστιάζει στην ανακάλυψη και μελέτη νέων υλικών, συσκευών και βασικών φυσικών κβαντικών συστημάτων που θα είναι κατάλληλα για ενσωμάτωση στην τεχνολογία του αύριο. Ενθαρρύνει τη διεπιστημονική συνεργασία που οδηγεί στο σχεδιασμό και την υλοποίηση κβαντικών συσκευών με βελτιωμένη λειτουργικότητα και απόδοση κοντά στο θεμελιώδες όριο, με στόχο να τις φέρει τελικά σε μια τεράστια κοινότητα χρηστών. Η σχολή του PQSEI εργάζεται σε ένα ευρύ φάσμα θεμάτων στην κβαντική επιστήμη και μηχανική, συμπεριλαμβανομένων των κβαντικών υλικών και συσκευών, της κβαντικής φωτονικής, της ατομικής μοριακής και οπτικής φυσικής, της κβαντικής χημείας, της κβαντικής μέτρησης και ελέγχου, της κβαντικής προσομοίωσης και των κβαντικών πληροφοριών και υπολογιστών. Τέλος, η PQSEI εργάζεται για να εκπαιδεύσει την επόμενη γενιά κβαντικών επιστημόνων και μηχανικών προκειμένου να ανταποκριθεί στις αυξανόμενες απαιτήσεις κβαντικού εργατικού δυναμικού.

Για περισσότερες πληροφορίες, πατήστε εδώ

Επαφές:
Βρετάνη Στέφ
Πανεπιστήμιο Purdue
Office: 765-494-7833

Πνευματικά δικαιώματα © Πανεπιστήμιο Purdue

Εάν έχετε ένα σχόλιο, παρακαλώ Επικοινωνία και εμείς με χαρά θα σας εξυπηρετήσουμε.

Οι εκδότες δελτίων ειδήσεων, όχι η 7th Wave, Inc. ή η Nanotechnology Now, είναι αποκλειστικά υπεύθυνες για την ακρίβεια του περιεχομένου.

Bookmark: