Nanotecnología ahora: comunicado de prensa: los investigadores de Purdue descubren que las imágenes superconductoras son en realidad fractales 3D y desordenados

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Satisfacer las demandas energéticas del mundo está llegando a un punto crítico. Impulsar la era tecnológica ha causado problemas a nivel mundial. Cada vez es más importante crear superconductores que puedan operar a presión y temperatura ambiente. Esto contribuiría en gran medida a resolver la crisis energética.

Los investigadores de Purdue descubren que las imágenes superconductoras son en realidad fractales 3D y desordenados

West Lafayette, IN | Publicado el 12 de mayo de 2023

Los avances con la superconductividad dependen de los avances en los materiales cuánticos. Cuando los electrones dentro de los materiales cuánticos experimentan una transición de fase, los electrones pueden formar patrones intrincados, como fractales. Un fractal es un patrón interminable. Al hacer zoom en un fractal, la imagen se ve igual. Los fractales comúnmente vistos pueden ser un árbol o escarcha en el cristal de una ventana en invierno. Los fractales pueden formarse en dos dimensiones, como la escarcha de una ventana, o en un espacio tridimensional como las ramas de un árbol.

La Dra. Erica Carlson, profesora de física y astronomía del 150 aniversario en la Universidad de Purdue, dirigió un equipo que desarrolló técnicas teóricas para caracterizar las formas fractales que forman estos electrones, a fin de descubrir la física subyacente que impulsa los patrones.

Carlson, un físico teórico, evaluó imágenes de alta resolución de las ubicaciones de los electrones en el superconductor Bi2-xPbzSr2-yLayCuO6+x (BSCO), y determinó que estas imágenes son de hecho fractales y descubrió que se extienden en el espacio tridimensional completo. ocupado por el material, como un árbol llenando el espacio.

Lo que alguna vez se pensó como dispersiones aleatorias dentro de las imágenes fractales tiene un propósito y, sorprendentemente, no se debe a una transición de fase cuántica subyacente como se esperaba, sino a una transición de fase impulsada por el desorden.

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.

El equipo incluye científicos de Purdue e instituciones asociadas. De Purdue, el equipo incluye a Carlson, el Dr. Forrest Simmons, estudiante de doctorado reciente, y los ex estudiantes de doctorado, el Dr. Shuo Liu y el Dr. Benjamin Phillabaum. El equipo de Purdue completó su trabajo dentro del Instituto de Ingeniería y Ciencias Cuánticas de Purdue (PQSEI). El equipo de instituciones asociadas incluye a la Dra. Jennifer Hoffman, la Dra. Can-Li Song, la Dra. Elizabeth Main de la Universidad de Harvard, la Dra. Karin Dahmen de la Universidad de Urbana-Champaign y el Dr. Eric Hudson de la Universidad Estatal de Pensilvania.

“La observación de patrones fractales de dominios orientacionales ('nemáticos'), ingeniosamente extraídos por Carlson y sus colaboradores de imágenes STM de las superficies de cristales de un superconductor de cuprato de alta temperatura, es interesante y estéticamente atractivo por sí mismo, pero también tiene una importancia fundamental considerable. importancia para comprender la física esencial de estos materiales”, dice el Dr. Steven Kivelson, profesor de la familia Prabhu Goel en la Universidad de Stanford y físico teórico especializado en nuevos estados electrónicos en materiales cuánticos. Se ha conjeturado que alguna forma de orden nemático, típicamente considerada como un avatar de un orden de onda de carga-densidad más primitivo, juega un papel importante en la teoría de los cupratos, pero la evidencia a favor de esta proposición ha sido previamente ambiguo en el mejor de los casos. Dos inferencias importantes se derivan del análisis de Carlson et al.: 1) El hecho de que los dominios nemáticos parezcan fractales implica que la longitud de correlación, la distancia sobre la cual el orden nemático mantiene la coherencia, es mayor que el campo de visión del experimento. lo que significa que es muy grande en comparación con otras escalas microscópicas. 2) El hecho de que los patrones que caracterizan el orden sean los mismos que los obtenidos a partir de los estudios del modelo de Ising de campo aleatorio tridimensional, uno de los modelos paradigmáticos de la mecánica estadística clásica, sugiere que la extensión del orden nemático está determinada por factores extrínsecos. cantidades y que intrínsecamente (es decir, en ausencia de imperfecciones cristalinas) exhibiría correlaciones de mayor alcance no solo a lo largo de la superficie, sino que se extendería profundamente en la mayor parte del cristal”.

Las imágenes de alta resolución de estos fractales se toman minuciosamente en el laboratorio de Hoffman en la Universidad de Harvard y en el laboratorio de Hudson, ahora en Penn State, utilizando microscopios de efecto túnel (STM) para medir los electrones en la superficie del BSCO, un superconductor de cuprato. El microscopio escanea átomo por átomo a través de la superficie superior del BSCO, y lo que encontraron fueron orientaciones de franjas que iban en dos direcciones diferentes en lugar de la misma dirección. El resultado, visto arriba en rojo y azul, es una imagen irregular que forma patrones interesantes de orientaciones de bandas electrónicas.

“Los patrones electrónicos son complejos, con agujeros dentro de agujeros y bordes que parecen una filigrana ornamentada”, explica Carlson. “Usando técnicas de matemáticas fractales, caracterizamos estas formas usando números fractales. Además, usamos métodos estadísticos de transiciones de fase para caracterizar cosas como cuántos grupos tienen un tamaño determinado y qué probabilidad hay de que los sitios estén en el mismo grupo”.

Una vez que el grupo de Carlson analizó estos patrones, encontraron un resultado sorprendente. Estos patrones no se forman solo en la superficie como un comportamiento fractal de capa plana, sino que llenan el espacio en tres dimensiones. Las simulaciones para este descubrimiento se llevaron a cabo en la Universidad de Purdue utilizando las supercomputadoras de Purdue en el Centro Rosen de Computación Avanzada. Harvard y Penn State midieron muestras con cinco niveles diferentes de dopaje, y el resultado fue similar entre las cinco muestras.

La colaboración única entre Illinois (Dahmen) y Purdue (Carlson) llevó las técnicas de agrupamiento de la mecánica estadística desordenada al campo de los materiales cuánticos como los superconductores. El grupo de Carlson adaptó la técnica para aplicarla a los materiales cuánticos, extendiendo la teoría de las transiciones de fase de segundo orden a los fractales electrónicos en los materiales cuánticos.

“Esto nos acerca un paso más a la comprensión de cómo funcionan los superconductores de cuprato”, explica Carlson. “Los miembros de esta familia de superconductores son actualmente los superconductores de temperatura más alta que ocurren a presión ambiental. Si pudiéramos obtener superconductores que funcionen a presión y temperatura ambiente, podríamos avanzar mucho hacia la solución de la crisis energética porque los cables que usamos actualmente para hacer funcionar la electrónica son metales en lugar de superconductores. A diferencia de los metales, los superconductores transportan perfectamente la corriente sin pérdida de energía. Por otro lado, todos los cables que utilizamos en las líneas eléctricas exteriores utilizan metales, que pierden energía todo el tiempo que llevan corriente. Los superconductores también son de interés porque pueden usarse para generar campos magnéticos muy altos y para la levitación magnética. Actualmente se usan (¡con dispositivos de enfriamiento masivos!) en resonancias magnéticas en hospitales y trenes que levitan”.

Los próximos pasos para el grupo de Carlson son aplicar las técnicas de clúster de Carlson-Dahmen a otros materiales cuánticos.

“Usando estas técnicas de agrupamiento, también hemos identificado fractales electrónicos en otros materiales cuánticos, incluidos el dióxido de vanadio (VO2) y los niquelatos de neodimio (NdNiO3). Sospechamos que este comportamiento en realidad podría ser bastante omnipresente en los materiales cuánticos”, dice Carlson.

Este tipo de descubrimiento lleva a los científicos cuánticos más cerca de resolver los enigmas de la superconductividad.

“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."

El financiamiento para el trabajo en la Universidad de Purdue para esta investigación incluye la Fundación Nacional de Ciencias, la Beca de Disertación de Bilsland (para el Dr. Liu) y la Corporación de Investigación para el Avance de la Ciencia.

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Sobre la universidad de Purdue
Purdue University es una de las principales instituciones públicas de investigación que desarrolla soluciones prácticas para los desafíos más difíciles de la actualidad. Clasificada en cada uno de los últimos cinco años como una de las 10 universidades más innovadoras de los Estados Unidos por US News & World Report, Purdue ofrece investigaciones que cambian el mundo y descubrimientos fuera de este mundo. Comprometidos con el aprendizaje práctico y en línea del mundo real, Purdue ofrece una educación transformadora para todos. Comprometida con la asequibilidad y la accesibilidad, Purdue ha congelado la matrícula y la mayoría de las tarifas a los niveles de 2012-13, lo que permite que más estudiantes que nunca se gradúen sin deudas. Vea cómo Purdue nunca se detiene en la búsqueda persistente del próximo gran salto en https://stories.purdue.edu .

Acerca del Departamento de Física y Astronomía de la Universidad de Purdue

El Departamento de Física y Astronomía de Purdue tiene una rica y larga historia que se remonta a 1904. Nuestros profesores y estudiantes exploran la naturaleza en todas las escalas, desde la subatómica hasta la macroscópica y todo lo demás. Con una comunidad excelente y diversa de profesores, posdoctorados y estudiantes que están impulsando nuevas fronteras científicas, ofrecemos un entorno de aprendizaje dinámico, una comunidad de investigación inclusiva y una red atractiva de académicos.

Física y Astronomía es uno de los siete departamentos dentro de la Facultad de Ciencias de la Universidad de Purdue. Se realizan investigaciones de primer nivel en astrofísica, óptica atómica y molecular, espectrometría de masas con aceleradores, biofísica, física de la materia condensada, ciencia de la información cuántica, física nuclear y de partículas. Nuestras instalaciones de última generación se encuentran en el Physics Building, pero nuestros investigadores también participan en trabajos interdisciplinarios en Discovery Park District en Purdue, particularmente en el Centro de Nanotecnología Birck y el Centro de Biociencia Bindley. También participamos en investigaciones globales que incluyen el Gran Colisionador de Hadrones en el CERN, el Laboratorio Nacional de Argonne, el Laboratorio Nacional de Brookhaven, Fermilab, el Acelerador Lineal de Stanford, el Telescopio Espacial James Webb y varios observatorios alrededor del mundo.

Acerca del Instituto de Ingeniería y Ciencias Cuánticas de Purdue (PQSEI)

Ubicado en Discovery Park District, PQSEI fomenta el desarrollo de aspectos prácticos e impactantes de la ciencia cuántica y se enfoca en descubrir y estudiar nuevos materiales, dispositivos y sistemas físicos cuánticos básicos que serán adecuados para la integración en la tecnología del mañana. Fomenta la colaboración interdisciplinaria que conduce al diseño y la realización de dispositivos cuánticos con una funcionalidad mejorada y un rendimiento cercano al límite fundamental, con el objetivo de llevarlos finalmente a una amplia comunidad de usuarios. El cuerpo docente de PQSEI trabaja en una amplia gama de temas en ciencia e ingeniería cuánticas, incluidos materiales y dispositivos cuánticos, fotónica cuántica, física atómica molecular y óptica, química cuántica, medición y control cuánticos, simulación cuántica e información y computación cuánticas. Finalmente, PQSEI trabaja para capacitar a la próxima generación de científicos e ingenieros cuánticos para satisfacer las crecientes demandas de fuerza laboral cuántica.

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