Nanotechnologie nu - Persbericht: Onderzoekers van Purdue ontdekken dat supergeleidende beelden feitelijk 3D- en door stoornissen aangestuurde fractals zijn

Heruitgegeven door Plato

volgers: 0

Home > Media > Onderzoekers van Purdue ontdekken dat supergeleidende beelden in feite driedimensionale en door wanorde aangestuurde fractals zijn

Abstract:
Het voldoen aan de energiebehoefte van de wereld bereikt een kritiek punt. Het aandrijven van het technologische tijdperk heeft wereldwijd voor problemen gezorgd. Het wordt steeds belangrijker om supergeleiders te maken die kunnen werken bij omgevingsdruk en -temperatuur. Dit zou een grote bijdrage leveren aan het oplossen van de energiecrisis.

Onderzoekers van Purdue ontdekken dat supergeleidende beelden in feite driedimensionale en door wanorde aangestuurde fractals zijn

West-Lafayette, IN | Geplaatst op 12 mei 2023

Vooruitgang met supergeleiding hangt af van vooruitgang in kwantummaterialen. Wanneer elektronen in kwantummaterialen een faseovergang ondergaan, kunnen de elektronen ingewikkelde patronen vormen, zoals fractals. Een fractal is een oneindig patroon. Bij het inzoomen op een fractal ziet de afbeelding er hetzelfde uit. Vaak geziene fractals kunnen in de winter een boom of rijp op een ruit zijn. Fractals kunnen zich in twee dimensies vormen, zoals de rijp op een raam, of in een driedimensionale ruimte zoals de takken van een boom.

Dr. Erica Carlson, een 150-jarige hoogleraar natuurkunde en astronomie aan de Purdue University, leidde een team dat theoretische technieken ontwikkelde voor het karakteriseren van de fractale vormen die deze elektronen maken, om de onderliggende fysica die de patronen aandrijft bloot te leggen.

Carlson, een theoretisch natuurkundige, heeft afbeeldingen met een hoge resolutie van de locaties van elektronen in de supergeleider Bi2-xPbzSr2-yLayCuO6+x (BSCO) geëvalueerd en vastgesteld dat deze afbeeldingen inderdaad fractal zijn en ontdekte dat ze zich uitstrekken tot de volledige driedimensionale ruimte bezet door het materiaal, zoals een boomvullende ruimte.

Wat ooit werd gezien als willekeurige dispersies binnen de fractale beelden, is doelgericht en, schokkend genoeg, niet te wijten aan een onderliggende kwantumfase-overgang zoals verwacht, maar aan een door wanorde aangestuurde fase-overgang.

Carlson leidde een team van onderzoekers uit meerdere instellingen en publiceerde hun bevindingen, getiteld "Critical nematic correlaties through the superconducting doping range in Bi2-xPbzSr2-yLayCuO6+x", in Nature Communications.

Het team bestaat uit Purdue-wetenschappers en partnerinstellingen. Het team uit Purdue bestaat uit Carlson, Dr. Forrest Simmons, recent promovendus en voormalige promovendi Dr. Shuo Liu en Dr. Benjamin Phillabaum. Het Purdue-team voltooide hun werk binnen het Purdue Quantum Science and Engineering Institute (PQSEI). Het team van partnerinstellingen omvat Dr. Jennifer Hoffman, Dr. Can-Li Song, Dr. Elizabeth Main van Harvard University, Dr. Karin Dahmen van de University of Urbana-Champaign en Dr. Eric Hudson van Pennsylvania State University.

"De observatie van fractale patronen van oriënterende ('nematische') domeinen - slim geëxtraheerd door Carlson en medewerkers uit STM-afbeeldingen van de oppervlakken van kristallen van een koperen supergeleider met hoge temperatuur - is op zichzelf interessant en esthetisch aantrekkelijk, maar ook van aanzienlijk fundamenteel belang. belangrijk om grip te krijgen op de essentiële fysica van deze materialen”, zegt Dr. Steven Kivelson, de Prabhu Goel Family Professor aan de Stanford University en een theoretisch fysicus die gespecialiseerd is in nieuwe elektronische toestanden in kwantummaterialen. "Er wordt verondersteld dat een of andere vorm van nematische ordening, waarvan doorgaans wordt gedacht dat het een avatar is van een meer primitieve lading-dichtheid-golforde, een belangrijke rol speelt in de theorie van de cuprates, maar het bewijs voor deze stelling is eerder dubbelzinnig op zijn best. Twee belangrijke gevolgtrekkingen volgen uit de analyse van Carlson et al.: 1) Het feit dat de nematische domeinen fractal lijken, impliceert dat de correlatielengte - de afstand waarover de nematische orde coherentie handhaaft - groter is dan het gezichtsveld van het experiment, wat betekent dat het erg groot is in vergelijking met andere microscopische schalen. 2) Het feit dat patronen die de orde karakteriseren dezelfde zijn als die verkregen uit studies van het driedimensionale random-field Ising-model – een van de paradigmatische modellen van de klassieke statistische mechanica – suggereert dat de omvang van de nematische orde wordt bepaald door extrinsieke hoeveelheden en dat het intrinsiek (dwz bij afwezigheid van kristallijne imperfecties) correlaties over een nog groter bereik zou vertonen, niet alleen langs het oppervlak, maar zich tot diep in het grootste deel van het kristal uitstrekkend.”

Afbeeldingen met hoge resolutie van deze fractals zijn nauwgezet genomen in het laboratorium van Hoffman aan de Harvard University en het laboratorium van Hudson, nu in Penn State, met behulp van scanning tunneling microscopen (STM) om elektronen te meten aan het oppervlak van de BSCO, een cuprate supergeleider. De microscoop scant atoom voor atoom over het bovenoppervlak van de BSCO, en wat ze vonden waren streeporiëntaties die in twee verschillende richtingen gingen in plaats van dezelfde richting. Het resultaat, hierboven weergegeven in rood en blauw, is een gekarteld beeld dat interessante patronen van elektronische streeporiëntaties vormt.

"De elektronische patronen zijn complex, met gaten in gaten en randen die lijken op sierlijk filigraan", legt Carlson uit. “Met behulp van technieken uit de fractale wiskunde karakteriseren we deze vormen met behulp van fractale getallen. Daarnaast gebruiken we statistische methoden van fase-overgangen om zaken te karakteriseren zoals hoeveel clusters van een bepaalde grootte zijn, en hoe waarschijnlijk het is dat de locaties zich in hetzelfde cluster bevinden.”

Nadat de Carlson-groep deze patronen had geanalyseerd, vonden ze een verrassend resultaat. Deze patronen vormen zich niet alleen op het oppervlak, zoals fractal gedrag in een vlakke laag, maar ze vullen de ruimte in drie dimensies. Simulaties voor deze ontdekking werden uitgevoerd aan de Purdue University met behulp van Purdue's supercomputers in het Rosen Center for Advanced Computing. Monsters op vijf verschillende dopingniveaus werden gemeten door Harvard en Penn State, en het resultaat was vergelijkbaar tussen alle vijf monsters.

De unieke samenwerking tussen Illinois (Dahmen) en Purdue (Carlson) bracht clustertechnieken van ongeordende statistische mechanica naar het gebied van kwantummaterialen zoals supergeleiders. De groep van Carlson paste de techniek aan om toe te passen op kwantummaterialen, en breidde de theorie van faseovergangen van de tweede orde uit naar elektronische fractals in kwantummaterialen.

"Dit brengt ons een stap dichter bij het begrijpen van hoe cuprate-supergeleiders werken", legt Carlson uit. "Leden van deze familie van supergeleiders zijn momenteel de supergeleiders met de hoogste temperatuur die bij omgevingsdruk voorkomen. Als we supergeleiders zouden kunnen krijgen die werken bij omgevingsdruk en -temperatuur, zouden we een heel eind kunnen komen in de richting van het oplossen van de energiecrisis, omdat de draden die we momenteel gebruiken om elektronica te laten lopen, metalen zijn in plaats van supergeleiders. In tegenstelling tot metalen geleiden supergeleiders stroom perfect zonder energieverlies. Aan de andere kant gebruiken alle draden die we gebruiken in elektriciteitsleidingen buitenshuis metalen, die energie verliezen zolang ze stroom voeren. Supergeleiders zijn ook interessant omdat ze kunnen worden gebruikt om zeer hoge magnetische velden op te wekken en voor magnetische levitatie. Ze worden momenteel gebruikt (met enorme koelapparaten!) in MRI's in ziekenhuizen en in zwevende treinen."

De volgende stappen voor de Carlson-groep zijn het toepassen van de Carlson-Dahmen-clustertechnieken op andere kwantummaterialen.

“Met behulp van deze clustertechnieken hebben we ook elektronische fractals geïdentificeerd in andere kwantummaterialen, waaronder vanadiumdioxide (VO2) en neodymium-nikkelaten (NdNiO3). We vermoeden dat dit gedrag eigenlijk vrij alomtegenwoordig is in kwantummaterialen”, zegt Carlson.

Dit type ontdekking brengt kwantumwetenschappers dichter bij het oplossen van de raadsels van supergeleiding.

“Het algemene veld van kwantummaterialen heeft tot doel de kwantumeigenschappen van materialen op de voorgrond te brengen, naar een plek waar we ze kunnen controleren en gebruiken voor technologie”, legt Carlson uit. “Elke keer dat er een nieuw type kwantummateriaal wordt ontdekt of gecreëerd, krijgen we nieuwe mogelijkheden, net zo dramatisch als schilders die een nieuwe kleur ontdekken om mee te schilderen.”

Financiering voor het werk aan Purdue University voor dit onderzoek omvat de National Science Foundation, de Bilsland Dissertation Fellowship (voor Dr. Liu) en Research Corporation for Science Advancement.

####

Over Purdue University
Purdue University is een vooraanstaande openbare onderzoeksinstelling die praktische oplossingen ontwikkelt voor de grootste uitdagingen van vandaag. Gerangschikt in elk van de afgelopen vijf jaar als een van de 10 meest innovatieve universiteiten in de Verenigde Staten door US News & World Report, levert Purdue wereldveranderend onderzoek en buitenaardse ontdekkingen. Toegewijd aan hands-on en online leren in de echte wereld, biedt Purdue een transformerende opleiding voor iedereen. Toegewijd aan betaalbaarheid en toegankelijkheid, heeft Purdue het collegegeld en de meeste collegegelden bevroren op het niveau van 2012-13, waardoor meer studenten dan ooit schuldenvrij kunnen afstuderen. Zie hoe Purdue nooit stopt in de aanhoudende jacht op de volgende reuzensprong https://stories.purdue.edu .

Over de afdeling Natuur- en Sterrenkunde aan de Purdue University

Purdue Department of Physics and Astronomy heeft een rijke en lange geschiedenis die teruggaat tot 1904. Onze docenten en studenten verkennen de natuur op alle lengteschalen, van subatomair tot macroscopisch en alles daartussenin. Met een uitstekende en diverse gemeenschap van docenten, postdocs en studenten die nieuwe wetenschappelijke grenzen verleggen, bieden we een dynamische leeromgeving, een inclusieve onderzoeksgemeenschap en een boeiend netwerk van wetenschappers.

Natuur- en Sterrenkunde is een van de zeven afdelingen binnen het Purdue University College of Science. Er wordt onderzoek van wereldklasse uitgevoerd op het gebied van astrofysica, atomaire en moleculaire optica, versneller-massaspectrometrie, biofysica, fysica van de gecondenseerde materie, kwantuminformatiewetenschap, deeltjes- en kernfysica. Onze ultramoderne faciliteiten bevinden zich in het Physics Building, maar onze onderzoekers houden zich ook bezig met interdisciplinair werk in Discovery Park District in Purdue, met name het Birck Nanotechnology Centre en het Bindley Bioscience Center. We nemen ook deel aan wereldwijd onderzoek, onder meer bij de Large Hadron Collider op CERN, Argonne National Laboratory, Brookhaven National Laboratory, Fermilab, de Stanford Linear Accelerator, de James Webb Space Telescope en verschillende observatoria over de hele wereld.

Over het Purdue Quantum Science and Engineering Institute (PQSEI)

PQSEI, gelegen in Discovery Park District, bevordert de ontwikkeling van praktische en impactvolle aspecten van de kwantumwetenschap en richt zich op het ontdekken en bestuderen van nieuwe materialen, apparaten en fundamentele fysieke kwantumsystemen die geschikt zijn voor integratie in de technologie van morgen. Het moedigt interdisciplinaire samenwerking aan die leidt tot het ontwerp en de realisatie van kwantumapparaten met verbeterde functionaliteit en prestaties die dicht bij de fundamentele limiet liggen, met als doel ze uiteindelijk naar een grote gemeenschap van gebruikers te brengen. De faculteit PQSEI werkt aan een breed scala aan onderwerpen in de kwantumwetenschap en -techniek, waaronder kwantummaterialen en -apparaten, kwantumfotonica, atomaire moleculaire en optische fysica, kwantumchemie, kwantummeting en -controle, kwantumsimulatie en kwantuminformatie en -computing. Ten slotte werkt PQSEI aan het opleiden van de volgende generatie kwantumwetenschappers en ingenieurs om te voldoen aan de groeiende vraag naar kwantumpersoneel.

Voor meer informatie, klik hier

Kontakte:
Bretagne Steff
Purdue University
Office: 765-494-7833

Als u een opmerking heeft, alstublieft Neem contact op met ons op.

Uitgevers van nieuwsberichten, niet 7th Wave, Inc. of Nanotechnology Now, zijn zelf verantwoordelijk voor de juistheid van de inhoud.

Bladwijzer: