ננוטכנולוגיה עכשיו - הודעה לעיתונות: חוקרים ב-Purdue מגלים שתמונות מוליכות-על הן למעשה פרקטלים תלת-ממדיים ומונעי הפרעות

הועלה מחדש על ידי אפלטון

עוקב: 0

עמוד הבית > חדשות ועדכונים > חוקרים ב-Purdue מגלים שתמונות על מוליכות הן למעשה פרקטלים תלת-ממדיים ומונעי הפרעות

תקציר:
עמידה בדרישות האנרגיה של העולם מגיעה לנקודה קריטית. הפעלת העידן הטכנולוגי גרמה לבעיות ברחבי העולם. חשוב יותר ויותר ליצור מוליכים שיכולים לפעול בלחץ וטמפרטורת הסביבה. זה יעזור בפתרון משבר האנרגיה.

חוקרים ב-Purdue מגלים שתמונות מוליכות-על הן למעשה פרקטלים תלת-ממדיים ומונעי הפרעות

West Lafayette, IN | פורסם ב-12 במאי, 2023

התקדמות עם מוליכות-על תלויה בהתקדמות בחומרים קוונטיים. כאשר אלקטרונים בתוך חומרים קוונטיים עוברים מעבר פאזה, האלקטרונים יכולים ליצור דפוסים מורכבים, כגון פרקטלים. פרקטל הוא תבנית שלא נגמרת. כאשר מתקרבים לפרקטל, התמונה נראית זהה. פרקטלים הנראים בדרך כלל יכולים להיות עץ או כפור על שמשת חלון בחורף. פרקטלים יכולים להיווצר בשני ממדים, כמו הכפור על חלון, או בחלל תלת מימדי כמו איברי עץ.

ד"ר אריקה קרלסון, פרופסור לפיזיקה ואסטרונומיה 150 שנה באוניברסיטת פרדו, הובילה צוות שפיתח טכניקות תיאורטיות לאפיון הצורות הפרקטליות שהאלקטרונים הללו יוצרים, על מנת לחשוף את הפיזיקה הבסיסית שמניעה את הדפוסים.

קרלסון, פיזיקאי תיאורטי, העריך תמונות ברזולוציה גבוהה של מיקומי האלקטרונים במוליך העל Bi2-xPbzSr2-yLayCuO6+x (BSCO), וקבע כי תמונות אלו הן אכן פרקטליות וגילה שהן משתרעות לתוך המרחב התלת מימדי המלא. תפוס על ידי החומר, כמו חלל מילוי עץ.

מה שנחשב פעם לפיזור אקראי בתוך התמונות הפרקטליות הוא תכליתי, ובאופן מזעזע, לא בגלל מעבר פאזה קוונטי כצפוי, אלא בגלל מעבר פאזה מונע אי סדר.

קרלסון הוביל צוות שיתופי של חוקרים במוסדות מרובים ופרסם את ממצאיהם, שכותרתם "מתאמים נמטיים קריטיים לאורך טווח הסימום המוליכי-על ב-Bi2-xPbzSr2-yLayCuO6+x", ב-Nature Communications.

הצוות כולל מדעני Purdue ומוסדות שותפים. מ-Purdue, הצוות כולל את קרלסון, ד"ר פורסט סימונס, דוקטורנט טרי, וסטודנטים דוקטורנטים לשעבר ד"ר שו ליו וד"ר בנג'מין פילבאום. צוות Purdue השלים את עבודתם במסגרת Purdue Quantum Science and Engineering Institute (PQSEI). הצוות ממוסדות שותפים כולל את ד"ר ג'ניפר הופמן, ד"ר קאן-לי סונג, ד"ר אליזבת מיין מאוניברסיטת הרווארד, ד"ר קארין דהמן מאוניברסיטת אורבנה-שמפיין וד"ר אריק הדסון מאוניברסיטת פנסילבניה סטייט.

"ההתבוננות בדפוסים פרקטליים של תחומים אוריינטציוניים ('נמטיים') - שחולצו בחוכמה על ידי קרלסון ומשתפי פעולה מתמונות STM של משטחי גבישים של מוליך-על בטמפרטורה גבוהה cuprate - היא מעניינת ומושכת מבחינה אסתטית בפני עצמה, אך גם בעלת יסוד ניכר. חשיבות בהתמודדות עם הפיזיקה החיונית של החומרים הללו", אומר ד"ר סטיבן קיבלסון, הפרופסור למשפחת פראבהו גואל באוניברסיטת סטנפורד ופיזיקאי תיאורטי המתמחה במצבים אלקטרוניים חדשים בחומרים קוונטיים. "צורה כלשהי של סדר נמטי, הנחשב בדרך כלל כאווטר מסדר גלי מטען-צפיפות-גל פרימיטיבי יותר, הוערכה כממלאת תפקיד חשוב בתורת הקופרטים, אך העדויות בעד הצעה זו היו בעבר. מעורפל במקרה הטוב. שתי מסקנות חשובות נובעות מהניתוח של Carlson וחב': 1) העובדה שהתחומים הנמטיים מופיעים פרקטליים מרמזת שאורך המתאם - המרחק שבו הסדר הנמטי שומר על קוהרנטיות - גדול יותר משדה הראייה של הניסוי. מה שאומר שהוא גדול מאוד בהשוואה לקשקשים מיקרוסקופיים אחרים. 2) העובדה שדפוסים המאפיינים את הסדר זהים לאלו שהתקבלו ממחקרים על מודל Ising-שדה אקראי תלת מימדי - אחד המודלים הפרדיגרמטיים של המכניקה הסטטיסטית הקלאסית - מעידה על כך שהיקף הסדר הנמטי נקבע על ידי חיצוני כמויות ושבאופן מהותי (כלומר בהיעדר פגמים גבישיים) הוא יציג מתאמים בטווח ארוך יותר לא רק לאורך פני השטח, אלא משתרע עמוק לתוך עיקר הגביש."

תמונות ברזולוציה גבוהה של הפרקטלים הללו צולמו בקפידה במעבדתו של הופמן באוניברסיטת הרווארד ובמעבדה של הדסון, כעת בפן סטייט, באמצעות מיקרוסקופים סורקים למנהור (STM) למדידת אלקטרונים על פני השטח של ה-BSCO, מוליך-על של cuprate. המיקרוסקופ סורק אטום אחר אטום על פני השטח העליון של ה-BSCO, ומה שהם מצאו היה כיווני פס שהלכו לשני כיוונים שונים במקום לאותו כיוון. התוצאה, שנראתה למעלה באדום וכחול, היא תמונה משוננת שיוצרת דפוסים מעניינים של כיווני פסים אלקטרוניים.

"הדוגמאות האלקטרוניות מורכבות, עם חורים בתוך החורים, וקצוות הדומים לפיליגרן מעוטר", מסביר קרלסון. "באמצעות טכניקות ממתמטיקה פרקטלית, אנו מאפיינים את הצורות הללו באמצעות מספרים פרקטליים. בנוסף, אנו משתמשים בשיטות סטטיסטיקות ממעברי פאזה כדי לאפיין דברים כמו כמה אשכולות הם בגודל מסוים, ומה הסיכוי שהאתרים יהיו באותו אשכול".

לאחר שקבוצת קרלסון ניתחה את הדפוסים הללו, הם מצאו תוצאה מפתיעה. דפוסים אלה אינם נוצרים רק על פני השטח כמו התנהגות פרקטלית שכבה שטוחה, אלא הם ממלאים חלל בתלת מימד. סימולציות לגילוי זה בוצעו באוניברסיטת Purdue באמצעות מחשבי העל של Purdue במרכז רוזן למחשוב מתקדם. דגימות בחמש רמות סימום שונות נמדדו על ידי הרווארד ופן סטייט, והתוצאה הייתה דומה בין כל חמש הדגימות.

שיתוף הפעולה הייחודי בין אילינוי (דהמן) ו-Purdue (קרלסון) הביא טכניקות מקבץ ממכניקה סטטיסטית מופרעת לתחום של חומרים קוונטיים כמו מוליכים. הקבוצה של קרלסון התאימה את הטכניקה ליישום על חומרים קוונטיים, והרחיבה את התיאוריה של מעברי שלב מסדר שני לפרקטלים אלקטרוניים בחומרים קוונטיים.

"זה מקרב אותנו צעד אחד יותר להבנה כיצד פועלים מוליכים של cuprate", מסביר קרלסון. "החברים במשפחה זו של מוליכים הם כיום מוליכים בטמפרטורה הגבוהה ביותר שקורים בלחץ הסביבה. אם היינו יכולים להשיג מוליכים שפועלים בלחץ וטמפרטורת הסביבה, נוכל ללכת רחוק בפתרון משבר האנרגיה מכיוון שהחוטים שבהם אנו משתמשים כיום להפעלת אלקטרוניקה הם מתכות ולא מוליכים. בניגוד למתכות, מוליכים נושאים זרם בצורה מושלמת ללא אובדן אנרגיה. מצד שני, כל החוטים שבהם אנו משתמשים בקווי חשמל חיצוניים משתמשים במתכות, שמאבדות אנרגיה כל הזמן שהן נושאות זרם. מוליכים-על מעניינים גם מכיוון שניתן להשתמש בהם ליצירת שדות מגנטיים גבוהים מאוד, ולריחוף מגנטי. הם משמשים כיום (עם מכשירי קירור מסיביים!) בבדיקות MRI בבתי חולים וברכבות מרחפות".

השלבים הבאים של קבוצת קרלסון הם ליישם את טכניקות האשכולות של קרלסון-דהמן על חומרים קוונטיים אחרים.

"באמצעות טכניקות מקבץ אלה, זיהינו גם פרקטלים אלקטרוניים בחומרים קוונטיים אחרים, כולל ונדיום דו חמצני (VO2) וניקלאט ניאודימיום (NdNiO3). אנו חושדים שהתנהגות זו עשויה להיות די בכל מקום בחומרים קוונטיים", אומר קרלסון.

סוג זה של גילוי מוביל את מדעני הקוונטים קרוב יותר לפתרון חידות המוליכות העל.

"התחום הכללי של חומרים קוונטיים שואף להביא לקדמת הבמה את התכונות הקוונטיות של חומרים, למקום שבו נוכל לשלוט בהם ולהשתמש בהם לטכנולוגיה", מסביר קרלסון. "בכל פעם שמתגלה או נוצר סוג חדש של חומר קוונטי, אנו זוכים ליכולות חדשות, דרמטיות כמו ציירים המגלים צבע חדש לצייר איתו."

המימון לעבודה באוניברסיטת פרדו עבור מחקר זה כולל את הקרן הלאומית למדע, מלגת דיסרטציה של Bilsland (עבור ד"ר ליו), ותאגיד המחקר לקידום מדע.

####

אודות אוניברסיטת פרדו
אוניברסיטת Purdue היא מוסד מחקר ציבורי מוביל המפתח פתרונות מעשיים לאתגרים הקשים ביותר של ימינו. דורגה בכל אחת מחמש השנים האחרונות כאחת מעשרת האוניברסיטאות החדשניות ביותר בארצות הברית לפי US News & World Report, Purdue מספקת מחקר משנה עולמי ותגליות שלא מהעולם הזה. מחויבת ללמידה מעשית ומקוונת בעולם האמיתי, Purdue מציעה חינוך טרנספורמטיבי לכולם. מחויבת למחיר סביר ונגישות, Purdue הקפיאה את שכר הלימוד ואת רוב העמלות ברמות 10-2012, מה שמאפשר ליותר סטודנטים מאי פעם לסיים לימודים ללא חובות. ראה איך Purdue לעולם לא עוצר במרדף העיקש אחר קפיצת המדרגה הענקית הבאה https://stories.purdue.edu .

על המחלקה לפיזיקה ואסטרונומיה באוניברסיטת פרדו

למחלקה לפיזיקה ואסטרונומיה של Purdue יש היסטוריה עשירה וארוכה החל משנת 1904. הסגל והסטודנטים שלנו חוקרים את הטבע בכל קנה המידה של האורך, מהתת-אטומי ועד למקרוסקופי וכל מה שביניהם. עם קהילה מצוינת ומגוונת של סגל, פוסט דוקטורט וסטודנטים שדוחפים גבולות מדעיים חדשים, אנו מציעים סביבת למידה דינמית, קהילת מחקר מכילה ורשת מרתקת של חוקרים.

פיזיקה ואסטרונומיה היא אחת משבעת המחלקות במכללה למדעים של אוניברסיטת פרדו. מחקר ברמה עולמית מבוצע באסטרופיזיקה, אופטיקה אטומית ומולקולרית, ספקטרומטריית מסה מאיץ, ביופיסיקה, פיזיקת החומר המעובה, מדע המידע הקוונטי, פיזיקת חלקיקים וגרעין. המתקנים החדישים שלנו נמצאים בבניין הפיזיקה, אבל החוקרים שלנו עוסקים גם בעבודה בינתחומית במחוז דיסקברי פארק ב-Purdue, במיוחד המרכז לננוטכנולוגיה Birck ומרכז הביו-מדעים בינדלי. אנו משתתפים גם במחקר עולמי, כולל במאיץ ההדרונים הגדול ב-CERN, במעבדה הלאומית של Argonne, במעבדה הלאומית של ברוקהייבן, ב-Fermilab, במאיץ הליניארי של סטנפורד, בטלסקופ החלל ג'יימס ווב ובמספר מצפה כוכבים ברחבי העולם.

על מכון Purdue Quantum Science and Engineering Institute (PQSEI)

ממוקם במחוז Discovery Park, PQSEI מטפח את הפיתוח של היבטים מעשיים ומשפיעים של מדע הקוונטים ומתמקד בגילוי ולימוד חומרים חדשים, מכשירים ומערכות קוונטיות פיזיות בסיסיות שיתאימו לשילוב בטכנולוגיה של המחר. הוא מעודד שיתוף פעולה בין-תחומי המוביל לעיצוב ומימוש של מכשירים קוונטיים עם פונקציונליות וביצועים משופרים הקרובים לגבול הבסיסי, במטרה להביא אותם בסופו של דבר לקהילה עצומה של משתמשים. סגל PQSEI עובד על מגוון רחב של נושאים במדעי הקוונטים והנדסה, כולל חומרים ומכשירים קוונטיים, פוטוניקה קוונטית, פיזיקה מולקולרית ואופטית אטומית, כימיה קוונטית, מדידה ובקרה קוונטית, הדמיית קוונטים ומידע ומחשוב קוונטי. לבסוף, PQSEI פועלת להכשרת הדור הבא של מדעני קוונטים ומהנדסים על מנת לעמוד בדרישות כוח העבודה הקוונטי הגדלות.

לקבלת מידע נוסף, לחץ על כאן

ליצירת קשר:
בריטני סטף
אוניברסיטת Purdue
Office: 765-494-7833

זכויות יוצרים © אוניברסיטת Purdue

אם יש לך תגובה בבקשה צרו קשר שלנו.

מנפיקי מהדורות חדשות, לא 7th Wave, Inc. או Nanotechnology Now, אחראים בלעדית לדיוק התוכן.

הפוך: