Nanoteknologia nyt - Lehdistötiedote: Purduen tutkijat löytävät suprajohtavat kuvat ovat itse asiassa 3D- ja häiriövetoisia fraktaaleja

Julkaissut Platon

seuraajia: 0

Koti > lehdistö > Purduen tutkijat huomaavat, että suprajohtavat kuvat ovat itse asiassa 3D- ja häiriölähtöisiä fraktaaleja

Tiivistelmä:
Maailman energiatarpeen tyydyttäminen on saavuttamassa kriittistä pistettä. Teknologian aikakauden tehostaminen on aiheuttanut ongelmia maailmanlaajuisesti. Yhä tärkeämpää on luoda suprajohteita, jotka voivat toimia ympäristön paineessa ja lämpötilassa. Tämä auttaisi pitkälle energiakriisin ratkaisemisessa.

Purduen tutkijat huomaavat, että suprajohtavat kuvat ovat itse asiassa 3D- ja häiriölähtöisiä fraktaaleja

West Lafayette, IN | Julkaistu 12. toukokuuta 2023

Suprajohtavuuden edistyminen riippuu kvanttimateriaalien kehityksestä. Kun kvanttimateriaalien sisällä olevat elektronit käyvät läpi faasimuutoksen, elektronit voivat muodostaa monimutkaisia kuvioita, kuten fraktaaleja. Fraktaali on loputon kuvio. Fraktaaleja lähennettäessä kuva näyttää samalta. Yleisesti nähty fraktaali voi olla puu tai huurre ikkunalasissa talvella. Fraktaaleja voi muodostua kahdessa ulottuvuudessa, kuten huurre ikkunassa, tai kolmiulotteisessa tilassa kuten puun oksat.

Dr. Erica Carlson, Purduen yliopiston fysiikan ja tähtitieteen 150-vuotisjuhlaprofessori, johti ryhmää, joka kehitti teoreettisia tekniikoita näiden elektronien muodostamien fraktaalimuotojen karakterisoimiseksi, jotta löydettäisiin kuvioita ohjaava fysiikka.

Carlson, teoreettinen fyysikko, on arvioinut korkearesoluutioisia kuvia elektronien sijainneista suprajohteessa Bi2-xPbzSr2-yLayCuO6+x (BSCO) ja todennut, että nämä kuvat ovat todellakin fraktaaleja ja havainnut, että ne ulottuvat koko kolmiulotteiseen avaruuteen. materiaalin miehittämä, kuin puu, joka täyttää tilan.

Se, mitä aikoinaan pidettiin satunnaisina dispersioina fraktaalikuvien sisällä, on tarkoituksenmukaista ja järkyttävää kyllä, ei johdu taustalla olevasta kvanttifaasimuutoksesta, kuten odotettiin, vaan häiriövetoisesta vaihemuutoksesta.

Carlson johti useiden laitosten tutkijoiden yhteistyöryhmää ja julkaisi havaintonsa otsikolla "Kriittiset nemaattiset korrelaatiot koko suprajohtavan dopingalueen Bi2-xPbzSr2-yLayCuO6+x:ssa" Nature Communicationsissa.

Tiimiin kuuluu Purdue-tieteilijöitä ja kumppaniinstituutioita. Purduesta tiimiin kuuluvat Carlson, tohtori Forrest Simmons, äskettäinen tohtoriopiskelija sekä entiset tohtoriopiskelijat tohtori Shuo Liu ja tohtori Benjamin Phillabaum. Purdue-tiimi viimeisteli työnsä Purdue Quantum Science and Engineering Institutessa (PQSEI). Kumppanilaitosten tiimiin kuuluvat tri Jennifer Hoffman, tohtori Can-Li Song, tohtori Elizabeth Main Harvardin yliopistosta, tohtori Karin Dahmen Urbana-Champaignin yliopistosta ja tohtori Eric Hudson Pennsylvanian osavaltion yliopistosta.

"Orientatiivisten ("nemaattisten") domeenien fraktaalikuvioiden havainnointi – Carlson ja yhteistyökumppanit poimivat nerokkaasti STM-kuvista korkean lämpötilan kupraattisuprajohteen kiteiden pinnoilta – on sinänsä kiinnostavaa ja esteettisesti houkuttelevaa, mutta myös huomattavaa perustavanlaatuista. on tärkeää päästä käsiksi näiden materiaalien olennaiseen fysiikkaan”, sanoo tohtori Steven Kivelson, Stanfordin yliopiston Prabhu Goel -perheen professori ja teoreettinen fyysikko, joka on erikoistunut kvanttimateriaalien uusiin elektronisiin tiloihin. "Jonkin nemaattisen järjestyksen muodon, jonka tyypillisesti ajatellaan olevan primitiivisemmän varaustiheys-aaltojärjestyksen avatar, on arveltu olevan tärkeä rooli kupraattien teoriassa, mutta todisteita tämän väitteen puolesta on aiemmin saatu. parhaimmillaan epäselvä. Carlson et al.:n analyysistä seuraa kaksi tärkeää päätelmää: 1) Se, että nemaattiset alueet näyttävät fraktaalilta, viittaa siihen, että korrelaation pituus – etäisyys, jolla nemaattinen järjestys ylläpitää koherenssia – on suurempi kuin kokeen näkökenttä. mikä tarkoittaa, että se on erittäin suuri verrattuna muihin mikroskooppisiin mittakaaviin. 2) Se tosiasia, että järjestystä kuvaavat mallit ovat samat kuin kolmiulotteisen satunnaiskentän Ising-mallin tutkimuksissa saadut mallit – yksi klassisen tilastomekaniikan paradigmaattisista malleista – viittaa siihen, että nemaattisen järjestyksen laajuuden määrää ulkoinen määrät ja että luonnostaan (eli kiteisten epätäydellisyyksien puuttuessa) se osoittaisi vielä pidemmän kantaman korrelaatioita, ei vain pinnalla, vaan ulottuisi syvälle kiteen pääosaan."

Korkearesoluutioisia kuvia näistä fraktaaleista on otettu huolella Hoffmanin laboratoriossa Harvardin yliopistossa ja Hudsonin laboratoriossa, nyt Penn Statessa, käyttäen skannaustunnelimikroskooppeja (STM) mittaamaan elektroneja kupraattisuprajohteen, BSCO:n, pinnalla. Mikroskooppi skannaa atomi atomilta BSCO:n yläpinnan poikki, ja he löysivät raitasuuntauksia, jotka menivät kahteen eri suuntaan saman suunnan sijasta. Tuloksena yllä punaisena ja sinisenä näkyvä rosoinen kuva, joka muodostaa mielenkiintoisia kuvioita elektronisista raidasuuntauksista.

"Elektroniset kuviot ovat monimutkaisia, reikien sisällä on reikiä ja reunat, jotka muistuttavat koristeellista filigraania", Carlson selittää. "Fraktaalimatematiikan tekniikoilla karakterisoimme näitä muotoja fraktaalilukujen avulla. Lisäksi käytämme vaihesiirtymien tilastomenetelmiä luonnehtiaksemme esimerkiksi kuinka monta klusteria on tietyn kokoisia ja kuinka todennäköisesti sivustot ovat samassa klusterissa.

Kun Carlson-ryhmä analysoi näitä malleja, he löysivät yllättävän tuloksen. Nämä kuviot eivät muodostu vain pinnalle kuten litteäkerroksinen fraktaalikäyttäytyminen, vaan ne täyttävät tilan kolmessa ulottuvuudessa. Tämän löydön simulaatiot suoritettiin Purduen yliopistossa käyttämällä Purduen supertietokoneita Rosen Center for Advanced Computingissa. Näytteet viidellä eri dopingtasolla mitattiin Harvardissa ja Penn Statessa, ja tulos oli samanlainen kaikissa viidessä näytteessä.

Illinoisin (Dahmen) ja Purduen (Carlson) ainutlaatuinen yhteistyö toi klusteritekniikat epäjärjestyneestä tilastomekaniikasta kvanttimateriaalien, kuten suprajohteiden, alalle. Carlsonin ryhmä mukautti tekniikkaa sovellettavaksi kvanttimateriaaleihin laajentaen teoriaa toisen asteen vaiheen siirtymistä kvanttimateriaalien elektronisiin fraktaaleihin.

"Tämä vie meidät askeleen lähemmäksi kupraattisuprajohteiden toiminnan ymmärtämistä", Carlson selittää. "Tämän suprajohdeperheen jäsenet ovat tällä hetkellä korkeimman lämpötilan suprajohteita, joita esiintyy ympäristön paineessa. Jos voisimme saada suprajohteita, jotka toimivat ympäristön paineessa ja lämpötilassa, voisimme edetä pitkälle energiakriisin ratkaisemisessa, koska tällä hetkellä elektroniikassa käyttämämme johdot ovat metalleja suprajohteiden sijaan. Toisin kuin metallit, suprajohteet kuljettavat virtaa täydellisesti ilman energiahäviötä. Toisaalta kaikki ulkovoimalinjoissa käyttämämme johtimet käyttävät metalleja, jotka menettävät energiaa koko ajan kuljettaessaan virtaa. Suprajohteet ovat myös kiinnostavia, koska niitä voidaan käyttää erittäin suurten magneettikenttien luomiseen ja magneettiseen levitaatioon. Niitä käytetään tällä hetkellä (massiivisten jäähdytyslaitteiden kanssa!) magneettikuvauksissa sairaaloissa ja levitaatiojunissa.

Carlson-ryhmän seuraavat askeleet ovat Carlson-Dahmen-klusteritekniikoiden soveltaminen muihin kvanttimateriaaleihin.

”Näiden klusteritekniikoiden avulla olemme tunnistaneet elektronisia fraktaaleja myös muista kvanttimateriaaleista, kuten vanadiinidioksidista (VO2) ja neodyyminikkelaateista (NdNiO3). Epäilemme, että tämä käyttäytyminen saattaa itse asiassa olla melko yleistä kvanttimateriaaleissa", Carlson sanoo.

Tämäntyyppinen löytö vie kvanttitutkijat lähemmäksi suprajohtavuuden arvoituksia.

"Kvanttimateriaalien yleinen kenttä pyrkii tuomaan materiaalien kvanttiominaisuudet etualalle, paikkaan, jossa voimme hallita niitä ja käyttää niitä teknologiassa", Carlson selittää. "Joka kerta kun uudentyyppistä kvanttimateriaalia löydetään tai luodaan, saamme uusia ominaisuuksia, yhtä dramaattisia kuin maalarit löytävät uuden värin maalattavaksi."

Purduen yliopiston tähän tutkimukseen liittyvän työn rahoitus sisältää National Science Foundationin, Bilslandin väitöskirjan (Th. Liulle) ja Research Corporation for Science Advancementin.

####

Tietoja Purduen yliopistosta
Purdue University on huippujulkinen tutkimuslaitos, joka kehittää käytännön ratkaisuja nykypäivän vaikeimpiin haasteisiin. US News & World Reportin mukaan Purdue on viimeisten viiden vuoden aikana luokiteltu yhdeksi Yhdysvaltojen 10 innovatiivisimman yliopiston joukkoon, ja se tarjoaa maailmaa muuttavaa tutkimusta ja tämän maailman ulkopuolisia löytöjä. Sitoutunut käytännönläheiseen ja online-oppimiseen tosielämässä, Purdue tarjoaa muuttavaa koulutusta kaikille. Edullisuuteen ja saavutettavuuteen sitoutunut Purdue on jäädyttänyt lukukausimaksut ja useimmat maksut vuosien 2012–13 tasolle, mikä mahdollistaa useamman opiskelijan valmistumisen ilman velkaa kuin koskaan. Katso, kuinka Purdue ei koskaan pysähdy seuraavan jättimäisen harppauksen jatkuvaan tavoittelemiseen https://stories.purdue.edu .

Tietoja Purduen yliopiston fysiikan ja tähtitieteen laitoksesta

Purduen fysiikan ja tähtitieteen laitoksella on rikas ja pitkä historia, joka ulottuu vuoteen 1904. Tiedekuntamme ja opiskelijamme tutkivat luontoa kaikilla pituuksilla, subatomisesta makroskooppiseen ja kaikkeen siltä väliltä. Erinomaisen ja monipuolisen tiedekunnan, postdocs- ja uusia tieteellisiä rajoja ajavien opiskelijoiden yhteisöllä tarjoamme dynaamisen oppimisympäristön, osallistavan tutkimusyhteisön ja mukaansatempaavan tutkijoiden verkoston.

Fysiikka ja tähtitiede on yksi Purdue University College of Sciencen seitsemästä osastosta. Maailmanluokan tutkimusta tehdään astrofysiikassa, atomi- ja molekyylioptiikassa, kiihdytinmassaspektrometriassa, biofysiikassa, kondensoituneiden aineiden fysiikassa, kvanttitietotieteessä, hiukkas- ja ydinfysiikassa. Huippumodernit tilat ovat Physics Buildingissa, mutta tutkijamme tekevät myös monialaista työtä Purduen Discovery Park Districtissä, erityisesti Birckin nanoteknologiakeskuksessa ja Bindley Bioscience Centerissä. Osallistumme myös maailmanlaajuiseen tutkimukseen, mukaan lukien CERNin Large Hadron Collider, Argonne National Laboratory, Brookhaven National Laboratory, Fermilab, Stanford Linear Accelerator, James Webb Space Telescope ja useat observatoriot ympäri maailmaa.

Tietoja Purdue Quantum Science and Engineering Institutesta (PQSEI)

Discovery Park Districtissä sijaitseva PQSEI edistää kvanttitieteen käytännön ja vaikuttavien näkökohtien kehittämistä ja keskittyy uusien materiaalien, laitteiden ja perusfyysisten kvanttijärjestelmien löytämiseen ja tutkimiseen, jotka soveltuvat integroitavaksi huomisen teknologiaan. Se kannustaa tieteidenvälistä yhteistyötä, joka johtaa kvanttilaitteiden suunnitteluun ja toteuttamiseen, joiden toiminnallisuus ja suorituskyky on lähellä perusrajaa, ja tavoitteena on viime kädessä tuoda ne laajalle käyttäjäyhteisölle. PQSEI:n tiedekunta työskentelee monenlaisissa kvanttitieteen ja -tekniikan aiheissa, mukaan lukien kvanttimateriaalit ja -laitteet, kvanttifotoniikka, atomimolekyyli- ja optinen fysiikka, kvanttikemia, kvanttimittaus ja -ohjaus, kvanttisimulaatio sekä kvanttitieto ja laskenta. Lopuksi PQSEI työskentelee kouluttaakseen seuraavan sukupolven kvanttitieteilijöitä ja insinöörejä vastatakseen kvanttityövoiman kasvaviin tarpeisiin.

Saat lisätietoja napsauttamalla tätä

Yhteydet:
Brittany Steff
Purdue University
Toimisto: 765-494-7833

Jos sinulla on kommentteja, kiitos Ota yhteyttä meille.

Lehdistötiedotteiden liikkeeseenlaskijat, eivät 7th Wave, Inc. tai Nanotechnology Now, ovat yksin vastuussa sisällön oikeellisuudesta.

Kirjanmerkki: