Nanoteknologi Sekarang - Siaran Pers: Para Peneliti Di Purdue Menemukan Gambar Superkonduktif Sebenarnya 3D Dan Fraktal yang Digerakkan oleh Gangguan

Diterbitkan Ulang Oleh Plato

Followers: 0

Beranda > Tekan > Para peneliti di Purdue menemukan bahwa gambar superkonduktif sebenarnya adalah 3D dan fraktal yang digerakkan oleh gangguan

Abstrak:
Memenuhi kebutuhan energi dunia mencapai titik kritis. Menggerakkan era teknologi telah menyebabkan masalah secara global. Semakin penting untuk membuat superkonduktor yang dapat beroperasi pada tekanan dan suhu sekitar. Ini akan sangat membantu dalam menyelesaikan krisis energi.

Para peneliti di Purdue menemukan gambar superkonduktif sebenarnya adalah 3D dan fraktal yang digerakkan oleh gangguan

Lafayette Barat, IN | Diposting pada 12 Mei 2023

Kemajuan superkonduktivitas bergantung pada kemajuan material kuantum. Ketika elektron di dalam bahan kuantum mengalami transisi fase, elektron dapat membentuk pola yang rumit, seperti fraktal. Fraktal adalah pola yang tidak pernah berakhir. Saat memperbesar fraktal, gambar terlihat sama. Fraktal yang biasa terlihat bisa berupa pohon atau embun beku di kaca jendela di musim dingin. Fraktal dapat terbentuk dalam dua dimensi, seperti embun beku di jendela, atau dalam ruang tiga dimensi seperti dahan pohon.

Dr. Erica Carlson, Guru Besar Fisika dan Astronomi Ulang Tahun ke-150 di Universitas Purdue, memimpin tim yang mengembangkan teknik teoretis untuk mengkarakterisasi bentuk fraktal yang dihasilkan elektron ini, untuk mengungkap fisika yang mendasari pola tersebut.

Carlson, seorang fisikawan teoretis, telah mengevaluasi citra beresolusi tinggi dari lokasi elektron dalam superkonduktor Bi2-xPbzSr2-yLayCuO6+x (BSCO), dan menentukan bahwa citra ini memang fraktal dan menemukan bahwa citra tersebut memanjang hingga ruang tiga dimensi penuh. ditempati oleh materi, seperti pohon yang mengisi ruang.

Apa yang pernah dianggap sebagai dispersi acak dalam gambar fraktal memiliki tujuan dan, yang mengejutkan, bukan karena transisi fase kuantum yang mendasarinya seperti yang diharapkan, tetapi karena transisi fase yang didorong oleh gangguan.

Carlson memimpin tim kolaboratif peneliti di berbagai institusi dan menerbitkan temuan mereka, berjudul "Kritis nematic korelasi seluruh rentang doping superkonduktor di Bi2-xPbzSr2-yLayCuO6+x," di Nature Communications.

Tim tersebut termasuk ilmuwan Purdue dan lembaga mitra. Dari Purdue, tim termasuk Carlson, Dr. Forrest Simmons, mahasiswa PhD baru-baru ini, dan mantan mahasiswa PhD Dr. Shuo Liu dan Dr. Benjamin Phillabaum. Tim Purdue menyelesaikan pekerjaan mereka di Purdue Quantum Science and Engineering Institute (PQSEI). Tim dari institusi mitra termasuk Dr. Jennifer Hoffman, Dr. Can-Li Song, Dr. Elizabeth Main dari Harvard University, Dr. Karin Dahmen dari University of Urbana-Champaign, dan Dr. Eric Hudson dari Pennsylvania State University.

“Pengamatan pola fraktal domain orientasional ('nematic') – yang secara cerdik diekstraksi oleh Carlson dan kolaborator dari gambar STM dari permukaan kristal superkonduktor suhu tinggi cuprate – menarik dan menarik secara estetis dengan sendirinya, tetapi juga sangat mendasar. pentingnya memahami fisika esensial dari bahan-bahan ini,” kata Dr. Steven Kivelson, Profesor Keluarga Prabhu Goel di Universitas Stanford dan fisikawan teoretis yang berspesialisasi dalam keadaan elektronik baru dalam bahan kuantum. “Beberapa bentuk tatanan nematic, biasanya dianggap sebagai avatar dari tatanan gelombang densitas-muatan yang lebih primitif, telah diduga memainkan peran penting dalam teori cuprates, tetapi bukti yang mendukung proposisi ini sebelumnya telah dibuktikan. ambigu di terbaik. Dua kesimpulan penting mengikuti dari analisis Carlson et al.: 1) Fakta bahwa domain nematik tampak fraktal menyiratkan bahwa panjang korelasi – jarak di mana urutan nematik mempertahankan koherensi – lebih besar daripada bidang pandang percobaan, yang berarti sangat besar dibandingkan dengan skala mikroskopis lainnya. 2) Fakta bahwa pola yang mencirikan urutan adalah sama dengan yang diperoleh dari studi model Ising bidang acak tiga dimensi - salah satu model paradigrmatik mekanika statistik klasik - menunjukkan bahwa tingkat urutan nematik ditentukan oleh ekstrinsik jumlah dan secara intrinsik (yaitu dengan tidak adanya ketidaksempurnaan kristal) itu akan menunjukkan korelasi rentang yang lebih jauh tidak hanya di sepanjang permukaan, tetapi meluas jauh ke dalam sebagian besar kristal.

Gambar beresolusi tinggi dari fraktal ini dengan susah payah diambil di laboratorium Hoffman di Universitas Harvard dan laboratorium Hudson, sekarang di Penn State, menggunakan mikroskop tunneling pemindaian (STM) untuk mengukur elektron di permukaan BSCO, superkonduktor cuprate. Mikroskop memindai atom demi atom di permukaan atas BSCO, dan yang mereka temukan adalah orientasi garis yang bergerak dalam dua arah berbeda, bukan arah yang sama. Hasilnya, terlihat di atas dalam warna merah dan biru, adalah gambar bergerigi yang membentuk pola orientasi garis elektronik yang menarik.

“Pola elektroniknya rumit, dengan lubang di dalam lubang, dan ujung-ujungnya menyerupai hiasan kerawang,” jelas Carlson. “Dengan menggunakan teknik dari matematika fraktal, kami mengkarakterisasi bentuk-bentuk ini menggunakan bilangan fraktal. Selain itu, kami menggunakan metode statistik dari transisi fase untuk mengkarakterisasi hal-hal seperti berapa banyak kluster dengan ukuran tertentu, dan seberapa besar kemungkinan situs tersebut berada dalam kluster yang sama.”

Setelah kelompok Carlson menganalisis pola ini, mereka menemukan hasil yang mengejutkan. Pola-pola ini tidak hanya terbentuk di permukaan seperti perilaku fraktal lapisan datar, tetapi mengisi ruang dalam tiga dimensi. Simulasi penemuan ini dilakukan di Purdue University menggunakan superkomputer Purdue di Rosen Center for Advanced Computing. Sampel pada lima tingkat doping yang berbeda diukur oleh Harvard dan Penn State, dan hasilnya serupa di antara kelima sampel tersebut.

Kolaborasi unik antara Illinois (Dahmen) dan Purdue (Carlson) membawa teknik cluster dari mekanika statistik yang tidak teratur ke bidang material kuantum seperti superkonduktor. Kelompok Carlson mengadaptasi teknik untuk diterapkan pada material kuantum, memperluas teori transisi fase orde kedua ke fraktal elektronik dalam material kuantum.

“Ini membawa kita selangkah lebih dekat untuk memahami cara kerja superkonduktor cuprate,” jelas Carlson. “Anggota keluarga superkonduktor ini saat ini adalah superkonduktor suhu tertinggi yang terjadi pada tekanan ambien. Jika kita bisa mendapatkan superkonduktor yang bekerja pada tekanan dan suhu sekitar, kita bisa menyelesaikan krisis energi karena kabel yang saat ini kita gunakan untuk menjalankan elektronik adalah logam daripada superkonduktor. Tidak seperti logam, superkonduktor mengalirkan arus dengan sempurna tanpa kehilangan energi. Di sisi lain, semua kabel yang kita gunakan di saluran listrik luar menggunakan logam, yang kehilangan energi sepanjang waktu membawa arus. Superkonduktor juga menarik karena dapat digunakan untuk membangkitkan medan magnet yang sangat tinggi, dan untuk levitasi magnet. Mereka saat ini digunakan (dengan perangkat pendingin besar!) di MRI di rumah sakit dan kereta melayang.

Langkah selanjutnya untuk grup Carlson adalah menerapkan teknik klaster Carlson-Dahmen ke material kuantum lainnya.

“Dengan menggunakan teknik cluster ini, kami juga telah mengidentifikasi fraktal elektronik dalam material kuantum lainnya, termasuk vanadium dioksida (VO2) dan nikel neodimium (NdNiO3). Kami menduga bahwa perilaku ini sebenarnya ada di mana-mana dalam material kuantum,” kata Carlson.

Jenis penemuan ini membawa para ilmuwan kuantum lebih dekat untuk memecahkan teka-teki superkonduktivitas.

“Bidang umum material kuantum bertujuan untuk mengedepankan sifat kuantum material, sehingga kita dapat mengontrolnya dan menggunakannya untuk teknologi,” jelas Carlson. “Setiap kali jenis material kuantum baru ditemukan atau diciptakan, kita memperoleh kemampuan baru, sama dramatisnya dengan pelukis yang menemukan warna baru untuk melukis.”

Pendanaan untuk pekerjaan di Purdue University untuk penelitian ini termasuk National Science Foundation, the Bilsland Dissertation Fellowship (untuk Dr. Liu), dan Research Corporation for Science Advancement.

####

Tentang Universitas Purdue
Universitas Purdue adalah lembaga penelitian publik terkemuka yang mengembangkan solusi praktis untuk tantangan terberat saat ini. Diberi peringkat dalam lima tahun terakhir sebagai salah satu dari 10 universitas Paling Inovatif di Amerika Serikat oleh US News & World Report, Purdue memberikan penelitian yang mengubah dunia dan penemuan luar biasa. Berkomitmen untuk pembelajaran langsung dan online, dunia nyata, Purdue menawarkan pendidikan transformatif untuk semua. Berkomitmen pada keterjangkauan dan aksesibilitas, Purdue telah membekukan biaya kuliah dan sebagian besar biaya pada tingkat 2012-13, memungkinkan lebih banyak siswa untuk lulus tanpa hutang. Lihat bagaimana Purdue tidak pernah berhenti mengejar lompatan raksasa berikutnya https://stories.purdue.edu .

Tentang Departemen Fisika dan Astronomi di Universitas Purdue

Departemen Fisika dan Astronomi Purdue memiliki sejarah yang kaya dan panjang sejak tahun 1904. Staf pengajar dan mahasiswa kami menjelajahi alam dalam semua skala panjang, dari subatomik hingga makroskopis dan segala sesuatu di antaranya. Dengan komunitas fakultas, pascadoktoral, dan mahasiswa yang luar biasa dan beragam yang mendorong batas-batas ilmiah baru, kami menawarkan lingkungan belajar yang dinamis, komunitas penelitian yang inklusif, dan jaringan cendekiawan yang menarik.

Fisika dan Astronomi adalah salah satu dari tujuh departemen di Fakultas Sains Universitas Purdue. Penelitian kelas dunia dilakukan dalam astrofisika, optik atom dan molekuler, spektrometri massa akselerator, biofisika, fisika benda terkondensasi, ilmu informasi kuantum, fisika partikel dan nuklir. Fasilitas canggih kami berada di Gedung Fisika, tetapi peneliti kami juga terlibat dalam pekerjaan interdisipliner di Discovery Park District di Purdue, khususnya Pusat Nanoteknologi Birck dan Pusat Biosains Bindley. Kami juga berpartisipasi dalam penelitian global termasuk di Large Hadron Collider di CERN, Argonne National Laboratory, Brookhaven National Laboratory, Fermilab, Stanford Linear Accelerator, James Webb Space Telescope, dan beberapa observatorium di seluruh dunia.

Tentang Institut Sains dan Teknik Kuantum Purdue (PQSEI)

Terletak di Discovery Park District, PQSEI memupuk pengembangan aspek praktis dan berdampak dari ilmu kuantum dan berfokus pada penemuan dan mempelajari bahan baru, perangkat, dan sistem kuantum fisik dasar yang akan cocok untuk integrasi ke dalam teknologi masa depan. Ini mendorong kolaborasi interdisipliner yang mengarah pada desain dan realisasi perangkat kuantum dengan fungsionalitas dan kinerja yang ditingkatkan mendekati batas fundamental, yang pada akhirnya bertujuan untuk membawanya ke komunitas pengguna yang luas. Fakultas PQSEI bekerja pada berbagai topik dalam sains dan teknik kuantum termasuk bahan dan perangkat kuantum, fotonik kuantum, molekul atom dan fisika optik, kimia kuantum, pengukuran dan kontrol kuantum, simulasi kuantum, serta informasi dan komputasi kuantum. Akhirnya, PQSEI bekerja untuk melatih ilmuwan dan insinyur kuantum generasi berikutnya untuk memenuhi permintaan tenaga kerja kuantum yang terus meningkat.

Untuk informasi lebih lanjut, silakan klik di sini

Kontak:
Brittany Steff
Purdue University
Kantor: 765-494-7833

Hak Cipta © Universitas Purdue

Jika Anda punya komentar, silakan Kontak kita.

Penerbit rilis berita, bukan 7th Wave, Inc. atau Nanotechnology Now, semata-mata bertanggung jawab atas keakuratan konten.

Bookmark: