نانوتکنولوژی اکنون - بیانیه مطبوعاتی: محققان در پوردو کشف کردند که تصاویر ابررسانا در واقع 3 بعدی و فراکتال های اختلال محور هستند

بازنشر افلاطون

دنبال: 0

صفحه اصلی > رسانه ها و مطبوعات > محققان پوردو دریافتند که تصاویر ابررسانا در واقع فرکتال های سه بعدی و اختلال محور هستند.

چکیده:
برآورده ساختن نیازهای انرژی جهان در حال رسیدن به نقطه بحرانی است. قدرت بخشیدن به عصر تکنولوژی باعث ایجاد مشکلاتی در سطح جهانی شده است. ایجاد ابررساناهایی که می توانند در فشار و دمای محیط کار کنند بسیار مهم است. این امر به حل بحران انرژی کمک زیادی می کند.

محققان پوردو کشف کردند که تصاویر ابررسانا در واقع فرکتال های سه بعدی و اختلال محور هستند

وست لافایت، IN | ارسال شده در 12 می 2023

پیشرفت های ابررسانایی به پیشرفت در مواد کوانتومی بستگی دارد. هنگامی که الکترون های درون مواد کوانتومی تحت یک انتقال فاز قرار می گیرند، الکترون ها می توانند الگوهای پیچیده ای مانند فراکتال ها را تشکیل دهند. فراکتال یک الگوی بی پایان است. هنگام زوم کردن بر روی یک فراکتال، تصویر یکسان به نظر می رسد. فراکتال‌هایی که معمولاً دیده می‌شوند می‌توانند درخت یا یخبندان روی شیشه پنجره در زمستان باشند. فراکتال ها می توانند در دو بعد مانند یخبندان روی پنجره یا در فضای سه بعدی مانند اندام های درخت شکل بگیرند.

دکتر اریکا کارلسون، پروفسور 150 ساله فیزیک و نجوم در دانشگاه پردو، تیمی را رهبری کرد که تکنیک‌های نظری را برای توصیف اشکال فراکتالی که این الکترون‌ها می‌سازند، به منظور کشف فیزیک زیربنایی که الگوها را هدایت می‌کند، توسعه داد.

کارلسون، یک فیزیکدان نظری، تصاویر با وضوح بالا از مکان های الکترون ها در ابررسانا Bi2-xPbzSr2-yLayCuO6+x (BSCO) را ارزیابی کرده است، و تشخیص داده است که این تصاویر در واقع فراکتال هستند و کشف کرد که در فضای سه بعدی کامل گسترش می یابند. اشغال شده توسط مواد، مانند فضای پر کردن درخت.

آنچه زمانی به عنوان پراکندگی تصادفی در تصاویر فراکتال تصور می شد، هدفمند است و به طرز شگفت انگیزی، نه به دلیل یک انتقال فاز کوانتومی نهفته همانطور که انتظار می رفت، بلکه به دلیل یک انتقال فاز مبتنی بر اختلال است.

کارلسون یک تیم مشترک از محققان را در چندین مؤسسه رهبری کرد و یافته‌های خود را با عنوان «همبستگی‌های نماتیک بحرانی در سراسر محدوده دوپینگ ابررسانا در Bi2-xPbzSr2-yLayCuO6+x» در Nature Communications منتشر کرد.

این تیم شامل دانشمندان پوردو و موسسات شریک است. از پوردو، این تیم شامل کارلسون، دکتر فارست سیمونز، دانشجوی اخیر دکترا و دانشجویان سابق دکترا، دکتر شو لیو و دکتر بنجامین فیلابام است. تیم پوردو کار خود را در موسسه علوم و مهندسی کوانتومی پوردو (PQSEI) تکمیل کرد. تیمی از موسسات همکار شامل دکتر جنیفر هافمن، دکتر کان لی سانگ، دکتر الیزابت مین از دانشگاه هاروارد، دکتر کارین داهمن از دانشگاه اوربانا-شامپین و دکتر اریک هادسون از دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا است.

مشاهده الگوهای فراکتالی حوزه‌های جهت‌گیری (نماتیک) - که به‌طور هوشمندانه توسط کارلسون و همکارانش از تصاویر STM از سطوح کریستال‌های یک ابررسانا با دمای بالا به دست آمده است - به خودی خود جالب و از نظر زیبایی‌شناختی جذاب است، اما از نظر بنیادی نیز قابل توجه است. دکتر استیون کیولسون، پروفسور خانواده پرابهو گوئل در دانشگاه استنفورد و فیزیکدان نظری متخصص در حالات الکترونیکی جدید در مواد کوانتومی، می‌گوید: «در دستیابی به فیزیک ضروری این مواد اهمیت دارد. برخی از شکل‌های نظم نماتیکی، که معمولاً تصور می‌شود نمادی از مرتبه موج بار-چگالی اولیه‌تر است، نقش مهمی در تئوری کوپرات‌ها ایفا می‌کند، اما شواهد به نفع این گزاره قبلاً وجود داشته است. در بهترین حالت مبهم دو استنتاج مهم از تجزیه و تحلیل کارلسون و همکاران به دست می آید: 1) این واقعیت که حوزه های نماتیکی فرکتال به نظر می رسند نشان می دهد که طول همبستگی - فاصله ای که نظم نماتیکی در آن انسجام را حفظ می کند - بزرگتر از میدان دید آزمایش است. به این معنی که در مقایسه با مقیاس های میکروسکوپی دیگر بسیار بزرگ است. 2) این واقعیت که الگوهایی که ترتیب را مشخص می کنند مشابه الگوهای به دست آمده از مطالعات مدل آیزینگ میدان تصادفی سه بعدی - یکی از مدل های پارادایماتیک مکانیک آماری کلاسیک است - نشان می دهد که وسعت ترتیب نماتیکی توسط بیرونی تعیین می شود. مقادیر و این که ذاتاً (یعنی در غیاب عیوب کریستالی) همبستگی‌های دامنه وسیع‌تری را نه تنها در امتداد سطح، بلکه در اعماق بخش عمده کریستال نشان می‌دهد.

تصاویر با وضوح بالا از این فراکتال‌ها با دقت در آزمایشگاه هافمن در دانشگاه هاروارد و آزمایشگاه هادسون، اکنون در ایالت پن، با استفاده از میکروسکوپ‌های تونل زنی روبشی (STM) برای اندازه‌گیری الکترون‌ها در سطح BSCO، یک ابررسانای جامی، گرفته شده‌اند. این میکروسکوپ اتم به اتم را در سطح بالایی BSCO اسکن می کند و چیزی که آنها پیدا کردند جهت گیری های نواری بود که به جای یک جهت در دو جهت مختلف می رفتند. نتیجه، که در بالا به رنگ های قرمز و آبی دیده می شود، یک تصویر دندانه دار است که الگوهای جالبی از جهت گیری های نوار الکترونیکی را تشکیل می دهد.

کارلسون توضیح می‌دهد: «الگوهای الکترونیکی پیچیده هستند، با سوراخ‌هایی در داخل سوراخ‌ها، و لبه‌هایی شبیه به فیلیگرن تزئین شده». با استفاده از تکنیک‌های ریاضیات فراکتال، این اشکال را با استفاده از اعداد فراکتال مشخص می‌کنیم. علاوه بر این، ما از روش‌های آماری مربوط به انتقال فاز استفاده می‌کنیم تا مواردی مانند تعداد خوشه‌ها از یک اندازه مشخص و احتمال اینکه سایت‌ها در یک خوشه قرار بگیرند، مشخص کنیم.

هنگامی که گروه کارلسون این الگوها را تجزیه و تحلیل کردند، به نتیجه شگفت انگیزی دست یافتند. این الگوها فقط بر روی سطح مانند رفتار فراکتالی لایه مسطح شکل نمی گیرند، بلکه فضا را به صورت سه بعدی پر می کنند. شبیه‌سازی‌های این کشف در دانشگاه پردو با استفاده از ابررایانه‌های پوردو در مرکز محاسبات پیشرفته روزن انجام شد. نمونه ها در پنج سطح مختلف دوپینگ توسط دانشگاه هاروارد و پن استیت اندازه گیری شد و نتیجه در بین هر پنج نمونه مشابه بود.

همکاری منحصر به فرد بین ایلینوی (Dahmen) و پوردو (Carlson) تکنیک های خوشه ای را از مکانیک آماری نامنظم وارد حوزه مواد کوانتومی مانند ابررساناها کرد. گروه کارلسون این تکنیک را برای اعمال در مواد کوانتومی تطبیق دادند و نظریه انتقال مرحله مرتبه دوم را به فراکتال های الکترونیکی در مواد کوانتومی گسترش دادند.

کارلسون توضیح می‌دهد: «این ما را یک قدم به درک نحوه عملکرد ابررساناهای جام نزدیک‌تر می‌کند. اعضای این خانواده از ابررساناها در حال حاضر بالاترین درجه حرارت ابررساناهایی هستند که در فشار محیط اتفاق می‌افتند. اگر بتوانیم ابررساناهایی به دست آوریم که در فشار و دمای محیط کار می‌کنند، می‌توانیم راه طولانی را به سمت حل بحران انرژی پیش ببریم، زیرا سیم‌هایی که در حال حاضر برای اجرای الکترونیک استفاده می‌کنیم، فلز هستند تا ابررسانا. برخلاف فلزات، ابررساناها جریان را بدون اتلاف انرژی کاملاً حمل می کنند. از سوی دیگر، تمام سیم‌هایی که در خطوط برق در فضای باز استفاده می‌کنیم، از فلزات استفاده می‌کنند که در تمام مدتی که جریان دارند، انرژی خود را از دست می‌دهند. ابررساناها همچنین مورد توجه هستند زیرا می توان از آنها برای تولید میدان های مغناطیسی بسیار بالا و برای شناور شدن مغناطیسی استفاده کرد. آنها در حال حاضر (با دستگاه های خنک کننده عظیم!) در MRI در بیمارستان ها و قطارهای شناور استفاده می شوند.

گام‌های بعدی برای گروه کارلسون، اعمال تکنیک‌های خوشه‌ای کارلسون-دامن برای سایر مواد کوانتومی است.

با استفاده از این تکنیک‌های خوشه‌ای، ما همچنین فراکتال‌های الکترونیکی را در سایر مواد کوانتومی، از جمله دی اکسید وانادیم (VO2) و نیکل‌های نئودیمیم (NdNiO3) شناسایی کرده‌ایم. کارلسون می‌گوید: ما گمان می‌کنیم که این رفتار ممکن است در مواد کوانتومی کاملاً فراگیر باشد.

این نوع کشف، دانشمندان کوانتومی را به حل معماهای ابررسانایی نزدیکتر می کند.

کارلسون توضیح می‌دهد: «زمینه کلی مواد کوانتومی با هدف برجسته کردن خواص کوانتومی مواد، به جایی که بتوانیم آنها را کنترل کنیم و برای فناوری استفاده کنیم، است.» هر بار که نوع جدیدی از مواد کوانتومی کشف یا ایجاد می‌شود، توانایی‌های جدیدی به دست می‌آوریم، به همان اندازه که نقاشان رنگ جدیدی را برای نقاشی کشف می‌کنند.»

بودجه برای کار در دانشگاه پردو برای این تحقیق شامل بنیاد ملی علوم، بورسیه پایان نامه Bilsland (برای دکتر لیو)، و شرکت تحقیقاتی برای پیشرفت علم است.

####

درباره دانشگاه پردو
دانشگاه پردو یک موسسه تحقیقاتی دولتی برتر است که راه حل های عملی برای سخت ترین چالش های امروزی را توسعه می دهد. پوردو که در هر یک از پنج سال گذشته به عنوان یکی از 10 دانشگاه نوآورانه در ایالات متحده توسط US News & World Report رتبه بندی شده است، تحقیقاتی را در حال تغییر جهان و اکتشافات خارج از این جهان ارائه می دهد. پوردو متعهد به یادگیری عملی و آنلاین، در دنیای واقعی، آموزش تحول آفرین را به همه ارائه می دهد. پردو که متعهد به مقرون به صرفه بودن و دسترسی است، شهریه و بیشتر هزینه ها را در سطوح 2012-13 منجمد کرده است و دانشجویان بیشتری را قادر می سازد بدون بدهی فارغ التحصیل شوند. ببینید که چگونه پردو هرگز در تعقیب مداوم جهش غول پیکر بعدی متوقف نمی شود https://stories.purdue.edu .

درباره گروه فیزیک و نجوم در دانشگاه پردو

دپارتمان فیزیک و نجوم پردو دارای تاریخچه ای غنی و طولانی است که به سال 1904 باز می گردد. اساتید و دانشجویان ما در حال کاوش در طبیعت در تمام مقیاس ها هستند، از زیر اتمی گرفته تا کلان و همه چیز در این بین. با جامعه ای عالی و متنوع از اساتید، فوق دکترا و دانشجویانی که مرزهای علمی جدیدی را پیش می برند، ما یک محیط یادگیری پویا، یک جامعه تحقیقاتی فراگیر و یک شبکه جذاب از محققان را ارائه می دهیم.

فیزیک و نجوم یکی از هفت بخش در کالج علوم دانشگاه پوردو است. تحقیقات در سطح جهانی در اخترفیزیک، اپتیک اتمی و مولکولی، طیف سنجی جرمی شتاب دهنده، بیوفیزیک، فیزیک ماده چگال، علم اطلاعات کوانتومی، فیزیک ذرات و هسته ای انجام می شود. امکانات پیشرفته ما در ساختمان فیزیک است، اما محققان ما همچنین در کار میان رشته ای در ناحیه دیسکاوری پارک در پوردو، به ویژه مرکز فناوری نانو Birck و مرکز علوم زیستی Bindley، مشغول هستند. ما همچنین در تحقیقات جهانی از جمله برخورد دهنده بزرگ هادرون در سرن، آزمایشگاه ملی آرگون، آزمایشگاه ملی بروکهاون، فرمیلب، شتاب دهنده خطی استنفورد، تلسکوپ فضایی جیمز وب و چندین رصدخانه در سراسر جهان شرکت می کنیم.

درباره موسسه علوم و مهندسی کوانتوم پوردو (PQSEI)

PQSEI واقع در Discovery Park District، توسعه جنبه های عملی و تاثیرگذار علم کوانتوم را تقویت می کند و بر کشف و مطالعه مواد جدید، دستگاه ها و سیستم های کوانتومی فیزیکی اولیه که برای ادغام با فناوری فردا مناسب هستند، تمرکز می کند. این همکاری بین رشته‌ای را تشویق می‌کند که منجر به طراحی و تحقق دستگاه‌های کوانتومی با عملکرد و عملکرد پیشرفته نزدیک به حد اساسی می‌شود، با هدف اینکه در نهایت آنها را به جامعه وسیعی از کاربران برساند. اعضای هیئت علمی PQSEI روی طیف وسیعی از موضوعات در علوم و مهندسی کوانتوم از جمله مواد و دستگاه‌های کوانتومی، فوتونیک کوانتومی، فیزیک مولکولی و نوری اتمی، شیمی کوانتومی، اندازه‌گیری و کنترل کوانتومی، شبیه‌سازی کوانتومی، و اطلاعات و محاسبات کوانتومی کار می‌کنند. در نهایت، PQSEI برای آموزش نسل بعدی دانشمندان و مهندسان کوانتومی به منظور پاسخگویی به نیازهای رو به رشد نیروی کار کوانتومی کار می کند.

برای اطلاعات بیشتر، لطفا کلیک کنید اینجا کلیک نمایید

تماس با ما:
بریتنی استف
دانشگاه پوردو
دفتر مرکزی: 765-494-7833

حق چاپ © دانشگاه پردو

اگر نظری دارید بفرمایید تماس با ما ما.

مسئولیت صحت محتوا به عهده صادرکنندگان انتشارات خبری است، نه موج هفتم، شرکت یا نانوتکنولوژی اکنون.

نشانک: