Nanotechnology Now - Communiqué de presse : Des chercheurs de Purdue découvrent que les images supraconductrices sont en réalité des fractales 3D et désordonnées

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Résumé:
Répondre aux besoins énergétiques mondiaux atteint un point critique. L'alimentation de l'ère technologique a causé des problèmes à l'échelle mondiale. Il est de plus en plus important de créer des supraconducteurs capables de fonctionner à pression et température ambiantes. Cela contribuerait grandement à résoudre la crise énergétique.

Des chercheurs de Purdue découvrent que les images supraconductrices sont en fait des fractales 3D et désordonnées

West Lafayette, IN | Publié le 12 mai 2023

Les progrès de la supraconductivité dépendent des progrès des matériaux quantiques. Lorsque les électrons à l'intérieur des matériaux quantiques subissent une transition de phase, les électrons peuvent former des motifs complexes, tels que des fractales. Une fractale est un motif sans fin. Lorsque vous zoomez sur une fractale, l'image a le même aspect. Les fractales couramment observées peuvent être un arbre ou du givre sur une vitre en hiver. Les fractales peuvent se former en deux dimensions, comme le givre sur une fenêtre, ou dans un espace tridimensionnel comme les branches d'un arbre.

Le Dr Erica Carlson, professeur de physique et d'astronomie du 150e anniversaire à l'Université Purdue, a dirigé une équipe qui a développé des techniques théoriques pour caractériser les formes fractales que ces électrons créent, afin de découvrir la physique sous-jacente à l'origine des motifs.

Carlson, un physicien théoricien, a évalué des images haute résolution des emplacements des électrons dans le supraconducteur Bi2-xPbzSr2-yLayCuO6+x (BSCO), et a déterminé que ces images sont en effet fractales et a découvert qu'elles s'étendent dans tout l'espace tridimensionnel occupé par la matière, comme un arbre remplissant l'espace.

Ce qui était autrefois considéré comme des dispersions aléatoires dans les images fractales est intentionnel et, de manière choquante, n'est pas dû à une transition de phase quantique sous-jacente comme prévu, mais à une transition de phase induite par le désordre.

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.

L'équipe comprend des scientifiques de Purdue et des institutions partenaires. De Purdue, l'équipe comprend Carlson, le Dr Forrest Simmons, récent doctorant, et les anciens doctorants Dr Shuo Liu et Dr Benjamin Phillabaum. L'équipe Purdue a terminé ses travaux au sein du Purdue Quantum Science and Engineering Institute (PQSEI). L'équipe des institutions partenaires comprend le Dr Jennifer Hoffman, le Dr Can-Li Song, le Dr Elizabeth Main de l'Université Harvard, le Dr Karin Dahmen de l'Université d'Urbana-Champaign et le Dr Eric Hudson de l'Université d'État de Pennsylvanie.

"L'observation de motifs fractals de domaines orientationnels ("nématiques") - habilement extraits par Carlson et ses collaborateurs à partir d'images STM des surfaces de cristaux d'un supraconducteur cuprate à haute température - est intéressante et esthétiquement attrayante en soi, mais aussi d'une importance fondamentale considérable. importance pour maîtriser la physique essentielle de ces matériaux », déclare le Dr Steven Kivelson, professeur de la famille Prabhu Goel à l'Université de Stanford et physicien théoricien spécialisé dans les nouveaux états électroniques des matériaux quantiques. "Une forme d'ordre nématique, généralement considérée comme un avatar d'un ordre plus primitif d'ondes de densité de charge, a été conjecturée pour jouer un rôle important dans la théorie des cuprates, mais les preuves en faveur de cette proposition ont déjà été au mieux ambigu. Deux inférences importantes découlent de l'analyse de Carlson et al. : 1) Le fait que les domaines nématiques apparaissent fractal implique que la longueur de corrélation - la distance sur laquelle l'ordre nématique maintient la cohérence - est plus grande que le champ de vision de l'expérience, ce qui signifie qu'il est très grand par rapport aux autres échelles microscopiques. 2) Le fait que les modèles qui caractérisent l'ordre soient les mêmes que ceux obtenus à partir des études du modèle tridimensionnel d'Ising à champ aléatoire - l'un des modèles paradigmatiques de la mécanique statistique classique - suggère que l'étendue de l'ordre nématique est déterminée par des facteurs extrinsèques. quantités et qu'intrinsèquement (c'est-à-dire en l'absence d'imperfections cristallines), il présenterait des corrélations encore plus étendues non seulement le long de la surface, mais s'étendant profondément dans la masse du cristal.

Des images haute résolution de ces fractales sont minutieusement prises dans le laboratoire de Hoffman à l'Université de Harvard et dans le laboratoire de Hudson, maintenant à Penn State, en utilisant des microscopes à effet tunnel (STM) pour mesurer les électrons à la surface du BSCO, un supraconducteur cuprate. Le microscope balaye atome par atome sur la surface supérieure du BSCO, et ce qu'ils ont trouvé, ce sont des orientations de bande qui vont dans deux directions différentes au lieu de la même direction. Le résultat, vu ci-dessus en rouge et bleu, est une image irrégulière qui forme des motifs intéressants d'orientation des bandes électroniques.

"Les motifs électroniques sont complexes, avec des trous à l'intérieur des trous et des bords qui ressemblent à des filigranes ornés", explique Carlson. « En utilisant des techniques issues des mathématiques fractales, nous caractérisons ces formes à l'aide de nombres fractals. De plus, nous utilisons des méthodes statistiques à partir des transitions de phase pour caractériser des éléments tels que le nombre de clusters d'une certaine taille et la probabilité que les sites se trouvent dans le même cluster.

Une fois que le groupe Carlson a analysé ces modèles, ils ont trouvé un résultat surprenant. Ces motifs ne se forment pas seulement sur la surface comme un comportement fractal à couche plate, mais ils remplissent l'espace en trois dimensions. Des simulations pour cette découverte ont été réalisées à l'Université Purdue à l'aide des superordinateurs de Purdue au Rosen Center for Advanced Computing. Des échantillons à cinq niveaux de dopage différents ont été mesurés par Harvard et Penn State, et le résultat était similaire parmi les cinq échantillons.

La collaboration unique entre l'Illinois (Dahmen) et Purdue (Carlson) a introduit les techniques de cluster de la mécanique statistique désordonnée dans le domaine des matériaux quantiques comme les supraconducteurs. Le groupe de Carlson a adapté la technique pour l'appliquer aux matériaux quantiques, étendant la théorie des transitions de phase du second ordre aux fractales électroniques dans les matériaux quantiques.

"Cela nous rapproche un peu plus de la compréhension du fonctionnement des supraconducteurs cuprates", explique Carlson. « Les membres de cette famille de supraconducteurs sont actuellement les supraconducteurs à température la plus élevée qui se produisent à pression ambiante. Si nous pouvions obtenir des supraconducteurs qui fonctionnent à la pression et à la température ambiantes, nous pourrions faire beaucoup pour résoudre la crise énergétique, car les fils que nous utilisons actuellement pour faire fonctionner l'électronique sont des métaux plutôt que des supraconducteurs. Contrairement aux métaux, les supraconducteurs transportent parfaitement le courant sans perte d'énergie. D'autre part, tous les fils que nous utilisons dans les lignes électriques extérieures utilisent des métaux, qui perdent de l'énergie tout le temps qu'ils transportent du courant. Les supraconducteurs sont également intéressants car ils peuvent être utilisés pour générer des champs magnétiques très élevés et pour la lévitation magnétique. Ils sont actuellement utilisés (avec des dispositifs de refroidissement massifs !) Dans les IRM des hôpitaux et des trains en lévitation. »

Les prochaines étapes pour le groupe Carlson consistent à appliquer les techniques de cluster Carlson-Dahmen à d'autres matériaux quantiques.

« En utilisant ces techniques de cluster, nous avons également identifié des fractales électroniques dans d'autres matériaux quantiques, notamment le dioxyde de vanadium (VO2) et les nickelates de néodyme (NdNiO3). Nous soupçonnons que ce comportement pourrait en fait être assez omniprésent dans les matériaux quantiques », déclare Carlson.

Ce type de découverte rapproche les scientifiques quantiques de la résolution des énigmes de la supraconductivité.

“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."

Le financement des travaux à l'Université Purdue pour cette recherche comprend la National Science Foundation, la bourse de thèse Bilsland (pour le Dr Liu) et la Research Corporation for Science Advancement.

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À propos de l'Université Purdue
L'Université Purdue est une institution de recherche publique de premier plan qui développe des solutions pratiques aux défis les plus difficiles d'aujourd'hui. Classée au cours de chacune des cinq dernières années comme l'une des 10 universités les plus innovantes des États-Unis par US News & World Report, Purdue propose des recherches révolutionnaires et des découvertes hors du commun. Engagé dans l'apprentissage pratique et en ligne, dans le monde réel, Purdue offre une éducation transformatrice à tous. Engagé en faveur de l'abordabilité et de l'accessibilité, Purdue a gelé les frais de scolarité et la plupart des frais aux niveaux de 2012-13, permettant à plus d'étudiants que jamais d'obtenir leur diplôme sans dette. Voyez comment Purdue ne s'arrête jamais dans la poursuite persistante du prochain pas de géant à https://stories.purdue.edu .

À propos du Département de physique et d'astronomie de l'Université Purdue

Le département de physique et d'astronomie de Purdue a une histoire riche et longue remontant à 1904. Notre corps professoral et nos étudiants explorent la nature à toutes les échelles, du subatomique au macroscopique et tout le reste. Avec une communauté excellente et diversifiée de professeurs, de postdoctorants et d'étudiants qui repoussent de nouvelles frontières scientifiques, nous offrons un environnement d'apprentissage dynamique, une communauté de recherche inclusive et un réseau engageant de chercheurs.

La physique et l'astronomie est l'un des sept départements du Purdue University College of Science. Des recherches de classe mondiale sont menées dans les domaines de l'astrophysique, de l'optique atomique et moléculaire, de la spectrométrie de masse par accélérateur, de la biophysique, de la physique de la matière condensée, de la science de l'information quantique, de la physique des particules et nucléaire. Nos installations de pointe se trouvent dans le Physics Building, mais nos chercheurs participent également à des travaux interdisciplinaires au Discovery Park District de Purdue, en particulier au Birck Nanotechnology Center et au Bindley Bioscience Center. Nous participons également à des recherches mondiales, notamment au Grand collisionneur de hadrons du CERN, au Laboratoire national d'Argonne, au Laboratoire national de Brookhaven, au Fermilab, à l'accélérateur linéaire de Stanford, au télescope spatial James Webb et à plusieurs observatoires dans le monde.

À propos du Purdue Quantum Science and Engineering Institute (PQSEI)

Situé dans le Discovery Park District, PQSEI favorise le développement d'aspects pratiques et percutants de la science quantique et se concentre sur la découverte et l'étude de nouveaux matériaux, dispositifs et systèmes quantiques physiques de base qui pourront être intégrés dans la technologie de demain. Il encourage la collaboration interdisciplinaire menant à la conception et à la réalisation de dispositifs quantiques avec des fonctionnalités et des performances améliorées proches de la limite fondamentale, visant à les apporter à terme à une vaste communauté d'utilisateurs. Les professeurs du PQSEI travaillent sur un large éventail de sujets en science et ingénierie quantiques, notamment les matériaux et dispositifs quantiques, la photonique quantique, la physique moléculaire et optique atomique, la chimie quantique, la mesure et le contrôle quantiques, la simulation quantique et l'information et l'informatique quantiques. Enfin, PQSEI travaille à former la prochaine génération de scientifiques et d'ingénieurs quantiques afin de répondre aux demandes croissantes de main-d'œuvre quantique.

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La source: http://www.nanotech-now.com/news.cgi?story_id=57345

Horodatage: 14 mai 2023