Nanotechnology Now - Press Release: Researchers At Purdue Discover Superconductive Images Are Actually 3D And Disorder-driven Fractals

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Abstract:
Soddisfare la domanda energetica mondiale sta raggiungendo un punto critico. Alimentare l'era tecnologica ha causato problemi a livello globale. È sempre più importante creare superconduttori in grado di funzionare a pressione e temperatura ambiente. Questo farebbe molto per risolvere la crisi energetica.

I ricercatori della Purdue scoprono che le immagini superconduttive sono in realtà frattali 3D e guidati dal disordine

West Lafayette, IN | Pubblicato il 12 maggio 2023

I progressi con la superconduttività dipendono dai progressi nei materiali quantistici. Quando gli elettroni all'interno dei materiali quantistici subiscono una transizione di fase, gli elettroni possono formare modelli intricati, come i frattali. Un frattale è uno schema senza fine. Quando si ingrandisce un frattale, l'immagine ha lo stesso aspetto. I frattali comunemente visti possono essere un albero o la brina sul vetro di una finestra in inverno. I frattali possono formarsi in due dimensioni, come la brina su una finestra, o nello spazio tridimensionale come i rami di un albero.

La dottoressa Erica Carlson, professoressa di fisica e astronomia del 150° anniversario presso la Purdue University, ha guidato un team che ha sviluppato tecniche teoriche per caratterizzare le forme frattali che questi elettroni creano, al fine di scoprire la fisica sottostante che guida i modelli.

Carlson, un fisico teorico, ha valutato le immagini ad alta risoluzione delle posizioni degli elettroni nel superconduttore Bi2-xPbzSr2-yLayCuO6+x (BSCO) e ha determinato che queste immagini sono effettivamente frattali e ha scoperto che si estendono nell'intero spazio tridimensionale occupato dalla materia, come un albero che riempie lo spazio.

Quelle che una volta erano considerate dispersioni casuali all'interno delle immagini frattali sono intenzionali e, sorprendentemente, non sono dovute a una transizione di fase quantistica sottostante come previsto, ma a causa di una transizione di fase guidata dal disordine.

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.

Il team comprende scienziati della Purdue e istituzioni partner. Da Purdue, il team comprende Carlson, il dottor Forrest Simmons, recente studente di dottorato, ed ex studenti di dottorato, il dottor Shuo Liu e il dottor Benjamin Phillabaum. Il team di Purdue ha completato il proprio lavoro all'interno del Purdue Quantum Science and Engineering Institute (PQSEI). Il team delle istituzioni partner comprende la dott.ssa Jennifer Hoffman, la dott.ssa Can-Li Song, la dott.ssa Elizabeth Main dell'Università di Harvard, la dott.ssa Karin Dahmen dell'Università di Urbana-Champaign e il dott. Eric Hudson della Pennsylvania State University.

“L'osservazione dei modelli frattali dei domini orientativi ('nematici') – abilmente estratti da Carlson e collaboratori dalle immagini STM delle superfici dei cristalli di un superconduttore cuprato ad alta temperatura – è interessante ed esteticamente accattivante di per sé, ma anche di notevole interesse fondamentale importanza nell'affrontare la fisica essenziale di questi materiali", afferma il dott. Steven Kivelson, professore della famiglia Prabhu Goel presso la Stanford University e fisico teorico specializzato in nuovi stati elettronici nei materiali quantistici. “Qualche forma di ordine nematico, tipicamente pensato per essere un avatar di un più primitivo ordine di carica-densità-onda, è stato ipotizzato per svolgere un ruolo importante nella teoria dei cuprati, ma l'evidenza a favore di questa proposizione è stata precedentemente ambiguo nella migliore delle ipotesi. Due importanti inferenze seguono dall'analisi di Carlson et al.: 1) Il fatto che i domini nematici appaiano frattali implica che la lunghezza della correlazione - la distanza su cui l'ordine nematico mantiene la coerenza - è maggiore del campo visivo dell'esperimento, il che significa che è molto grande rispetto ad altre scale microscopiche. 2) Il fatto che i pattern che caratterizzano l'ordine siano gli stessi ottenuti dagli studi del modello tridimensionale di Ising a campo casuale – uno dei modelli paradigmatici della meccanica statistica classica – suggerisce che l'estensione dell'ordine nematico sia determinata da fattori estrinseci quantità e che intrinsecamente (cioè in assenza di imperfezioni cristalline) mostrerebbe correlazioni ancora più lunghe non solo lungo la superficie, ma che si estendono in profondità nella massa del cristallo.

Le immagini ad alta risoluzione di questi frattali vengono accuratamente acquisite nel laboratorio di Hoffman all'Università di Harvard e nel laboratorio di Hudson, ora alla Penn State, utilizzando microscopi a effetto tunnel (STM) per misurare gli elettroni sulla superficie del BSCO, un superconduttore cuprato. Il microscopio scansiona atomo per atomo attraverso la superficie superiore del BSCO, e quello che hanno trovato è stato l'orientamento delle strisce che andavano in due direzioni diverse invece che nella stessa direzione. Il risultato, visto sopra in rosso e blu, è un'immagine frastagliata che forma interessanti modelli di orientamenti delle strisce elettroniche.

"I modelli elettronici sono complessi, con buchi all'interno di buchi e bordi che ricordano filigrana ornata", spiega Carlson. “Utilizzando tecniche della matematica frattale, caratterizziamo queste forme utilizzando numeri frattali. Inoltre, utilizziamo metodi statistici dalle transizioni di fase per caratterizzare cose come quanti cluster hanno una certa dimensione e quanto è probabile che i siti si trovino nello stesso cluster.

Una volta che il gruppo Carlson ha analizzato questi modelli, ha trovato un risultato sorprendente. Questi modelli non si formano solo sulla superficie come il comportamento frattale di uno strato piatto, ma riempiono lo spazio in tre dimensioni. Le simulazioni per questa scoperta sono state effettuate presso la Purdue University utilizzando i supercomputer di Purdue presso il Rosen Center for Advanced Computing. Campioni a cinque diversi livelli di doping sono stati misurati da Harvard e Penn State e il risultato è stato simile tra tutti e cinque i campioni.

La collaborazione unica tra Illinois (Dahmen) e Purdue (Carlson) ha portato le tecniche dei cluster dalla meccanica statistica disordinata nel campo dei materiali quantistici come i superconduttori. Il gruppo di Carlson ha adattato la tecnica per applicarla ai materiali quantistici, estendendo la teoria delle transizioni di fase del secondo ordine ai frattali elettronici nei materiali quantistici.

«Questo ci avvicina di un passo alla comprensione di come funzionano i superconduttori cuprati», spiega Carlson. “I membri di questa famiglia di superconduttori sono attualmente i superconduttori a temperatura più elevata che si verificano a pressione ambiente. Se potessimo ottenere superconduttori che funzionano a pressione e temperatura ambiente, potremmo fare molto per risolvere la crisi energetica perché i fili che attualmente usiamo per far funzionare l'elettronica sono metalli piuttosto che superconduttori. A differenza dei metalli, i superconduttori trasportano corrente perfettamente senza perdita di energia. D'altra parte, tutti i fili che utilizziamo nelle linee elettriche esterne utilizzano metalli, che perdono energia per tutto il tempo in cui trasportano corrente. Anche i superconduttori sono interessanti perché possono essere usati per generare campi magnetici molto elevati e per la levitazione magnetica. Sono attualmente utilizzati (con massicci dispositivi di raffreddamento!) nelle risonanze magnetiche negli ospedali e nei treni levitanti.

I prossimi passi per il gruppo Carlson consistono nell'applicare le tecniche dei cluster Carlson-Dahmen ad altri materiali quantistici.

“Utilizzando queste tecniche di cluster, abbiamo anche identificato frattali elettronici in altri materiali quantistici, tra cui biossido di vanadio (VO2) e nichelati di neodimio (NdNiO3). Sospettiamo che questo comportamento possa effettivamente essere abbastanza onnipresente nei materiali quantistici", afferma Carlson.

Questo tipo di scoperta avvicina gli scienziati quantistici alla soluzione degli enigmi della superconduttività.

“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."

Il finanziamento per il lavoro presso la Purdue University per questa ricerca include la National Science Foundation, la Bilsland Dissertation Fellowship (per il Dr. Liu) e la Research Corporation for Science Advancement.

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