Nanotechnology Now - プレスリリース: 超伝導画像が実際には 3D であり、無秩序駆動のフラクタルであることをパデュー大学の研究者が発見

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要約：
世界のエネルギー需要を満たすことは重要な点に達しています。テクノロジー時代の推進は、世界中で問題を引き起こしています。周囲圧力および周囲温度で動作できる超伝導体を作成することがますます重要になっています。これはエネルギー危機の解決に大いに役立つだろう。

パーデュー大学の研究者は、超電導画像が実際には 3D であり、無秩序に駆動されたフラクタルであることを発見しました

インディアナ州ウェストラファイエット | 投稿日: 12 年 2023 月 XNUMX 日

超伝導の進歩は、量子材料の進歩にかかっています。量子材料内の電子が相転移を起こすと、電子はフラクタルなどの複雑なパターンを形成することがあります。フラクタルは終わりのないパターンです。フラクタルを拡大すると、画像は同じように見えます。よく見られるフラクタルは、木の木や冬の窓ガラスの霜などです。フラクタルは、窓についた霜のように XNUMX 次元で形成することも、木の枝のように XNUMX 次元空間で形成することもできます。

パデュー大学の物理学と天文学の創立 150 周年記念教授であるエリカカールソン博士は、パターンを駆動する根本的な物理学を明らかにするために、これらの電子が作るフラクタル形状を特徴付ける理論的手法を開発したチームを率いました。

理論物理学者であるカールソンは、超伝導体 Bi2-xPbzSr2-yLayCuO6+x (BSCO) 内の電子の位置の高解像度画像を評価し、これらの画像が実際にフラクタルであると判断し、完全な XNUMX 次元空間に広がっていることを発見しました。空間を埋める木のようにマテリアルで占められています。

かつてフラクタル画像内のランダムな分散と考えられていたものは意図的なものであり、衝撃的なことに、予想されたような根底にある量子相転移によるものではなく、無秩序によって引き起こされる相転移によるものです。

カールソン氏は、複数の機関にわたる研究者の共同チームを率い、「Bi2-xPbzSr2-yLayCuO6+x における超伝導ドーピング範囲全体にわたる臨界ネマティック相関」と題する研究結果を Nature Communications 誌に発表しました。

チームにはパーデューの科学者とパートナー機関が含まれています。パーデューからのチームには、カールソン、最近博士課程の学生であるフォレスト・シモンズ博士、元博士課程の学生であるシュオ・リュー博士とベンジャミン・フィラバウム博士が含まれています。パーデューのチームは、パーデュー量子科学工学研究所 (PQSEI) 内での作業を完了しました。パートナー機関のチームには、ハーバード大学のジェニファー・ホフマン博士、カン・リー・ソング博士、エリザベス・メイン博士、アーバナ・シャンペーン大学のカリン・ダーメン博士、ペンシルバニア州立大学のエリック・ハドソン博士が含まれています。

「配向性（「ネマティック」）ドメインのフラクタルパターンの観察は、銅酸化物高温超伝導体の結晶表面の STM 画像からカールソン氏と共同研究者によって巧みに抽出されましたが、それ自体が興味深く、美的に魅力的ですが、かなりの基本的なものでもあります。これらの材料の本質的な物理学を理解することが重要です」と、スタンフォード大学のプラブ・ゴエル・ファミリー教授であり、量子材料の新しい電子状態を専門とする理論物理学者であるスティーブン・キベルソン博士は述べています。「ある種のネマチック秩序は、通常、より原始的な電荷密度波秩序の化身であると考えられており、銅酸化物の理論において重要な役割を果たすと推測されてきたが、この命題を支持する証拠は以前から明らかにされていた。よく言っても曖昧。 Carlson らの分析から 1 つの重要な推論が得られます: 2) ネマチックドメインがフラクタルに見えるという事実は、相関長 (ネマチック秩序がコヒーレンスを維持する距離) が実験の視野よりも大きいことを意味します。これは、他の顕微鏡スケールと比較して非常に大きいことを意味します。 XNUMX) 秩序を特徴付けるパターンが、古典統計力学の模範モデルの XNUMX つである XNUMX 次元ランダム場イジングモデルの研究から得られたものと同じであるという事実は、ネマティック秩序の程度が外部要因によって決定されることを示唆しています。そして、本質的に（つまり、結晶欠陥がない場合）、表面に沿ってだけでなく、結晶のバルクの奥深くまで広がるさらに長い範囲の相関を示すだろう。」

これらのフラクタルの高解像度画像は、ハーバード大学のホフマン研究室と現在ペンシルベニア州立大学にあるハドソン研究室で、走査型トンネル顕微鏡 (STM) を使用して銅酸化物超伝導体である BSCO の表面の電子を測定し、丹念に撮影されました。顕微鏡は BSCO の上面を原子ごとにスキャンし、ストライプの向きが同じ方向ではなく XNUMX つの異なる方向に向いていることを発見しました。結果は、上に赤と青で示されているように、電子ストライプの向きの興味深いパターンを形成するギザギザの画像です。

「電子パターンは複雑で、穴の中に穴があり、華やかなフィリグリーに似たエッジがあります」とカールソン氏は説明します。「フラクタル数学の手法を使用して、フラクタル数を使用してこれらの形状を特徴付けます。さらに、相転移からの統計手法を使用して、特定のサイズのクラスターがいくつあるか、サイトが同じクラスターに含まれる可能性がどれくらいあるかなどを特徴付けます。」

カールソンのグループがこれらのパターンを分析したところ、驚くべき結果が見つかりました。これらのパターンは、平面層のフラクタル動作のように表面上にのみ形成されるのではなく、三次元の空間を満たします。この発見のシミュレーションは、パーデュー大学のローゼンセンターフォーアドバンストコンピューティングにあるスーパーコンピューターを使用して行われました。ハーバード大学とペンシルベニア州立大学によって XNUMX つの異なるドーピングレベルのサンプルが測定されましたが、結果は XNUMX つのサンプルすべてで同様でした。

イリノイ州 (ダーメン) とパーデュー州 (カールソン) のユニークなコラボレーションにより、無秩序統計力学からのクラスター技術が超伝導体のような量子材料の分野に導入されました。カールソンのグループは、この技術を量子材料に適用するために応用し、二次相転移の理論を量子材料における電子フラクタルに拡張しました。

「これにより、銅酸化物超伝導体がどのように機能するかの理解にまた一歩近づくことができます」とカールソン氏は説明します。「この超電導体ファミリーのメンバーは、現在、大気圧で発生する最高温度の超電導体です。周囲の圧力と温度で動作する超電導体を入手できれば、エネルギー危機の解決に大きく前進することができます。なぜなら、現在私たちが電子機器を動かすために使用しているワイヤーは超電導体ではなく金属だからです。金属とは異なり、超伝導体はエネルギーを損失することなく完全に電流を運びます。一方、屋外の電力線に使用されるすべてのワイヤには金属が使用されており、電流が流れている間ずっとエネルギーを失います。超伝導体は、非常に高い磁場の生成や磁気浮上にも使用できるため、興味深いものです。これらは現在、病院の MRI や浮上列車で (大規模な冷却装置とともに) 使用されています。」

Carlson グループの次のステップは、Carlson-Dahmen クラスター技術を他の量子材料に適用することです。

「これらのクラスター技術を使用して、二酸化バナジウム (VO2) やニッケル酸ネオジム (NdNiO3) など、他の量子材料の電子フラクタルも特定しました。私たちは、この挙動が量子材料では実際にかなり遍在しているのではないかと考えています」とカールソン氏は言います。

この種の発見は、量子科学者を超伝導の謎の解明に近づけます。

「量子材料の一般的な分野は、材料の量子特性を最前線に導き、それを制御してテクノロジーに利用できるようにすることを目指しています」とカールソン氏は説明します。「新しいタイプの量子材料が発見または作成されるたびに、画家が絵を描くための新しい色を発見するのと同じくらい劇的なことで、私たちは新しい能力を獲得します。」

この研究に対するパデュー大学の活動への資金提供には、国立科学財団、Bilsland Dissertation Fellowship (Liu 博士への)、および Research Corporation for Science Advancement が含まれています。

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