Nanoteknologi nå - Pressemelding: Forskere ved Purdue oppdager at superledende bilder faktisk er 3D og lidelsesdrevne fraktaler

Publisert av Platon

Følgere: 0

Hjemprodukt > Press > Forskere ved Purdue oppdager at superledende bilder faktisk er 3D og lidelsesdrevne fraktaler

Abstrakt:
Å møte verdens energibehov er i ferd med å nå et kritisk punkt. Å drive den teknologiske tidsalderen har forårsaket problemer globalt. Det blir stadig viktigere å lage superledere som kan operere ved omgivelsestrykk og temperatur. Dette vil gå langt for å løse energikrisen.

Forskere ved Purdue oppdager at superledende bilder faktisk er 3D og lidelsesdrevne fraktaler

West Lafayette, IN | Lagt ut 12. mai 2023

Fremskritt med superledning avhenger av fremskritt innen kvantematerialer. Når elektroner inne i kvantematerialer gjennomgår en faseovergang, kan elektronene danne intrikate mønstre, for eksempel fraktaler. En fraktal er et uendelig mønster. Når du zoomer inn på en fraktal, ser bildet likt ut. Vanlige fraktaler kan være et tre eller frost på en vindusrute om vinteren. Fraktaler kan dannes i to dimensjoner, som frost på et vindu, eller i tredimensjonalt rom som lemmer på et tre.

Dr. Erica Carlson, en 150-årsjubileumsprofessor i fysikk og astronomi ved Purdue University, ledet et team som utviklet teoretiske teknikker for å karakterisere fraktalformene som disse elektronene lager, for å avdekke den underliggende fysikken som driver mønstrene.

Carlson, en teoretisk fysiker, har evaluert høyoppløselige bilder av plasseringen av elektroner i superlederen Bi2-xPbzSr2-yLayCuO6+x (BSCO), og bestemt at disse bildene faktisk er fraktale og oppdaget at de strekker seg inn i det fulle tredimensjonale rommet okkupert av materialet, som et trefyllingsrom.

Det som en gang ble tenkt på som tilfeldige spredninger i de fraktale bildene er målrettet og, sjokkerende nok, ikke på grunn av en underliggende kvantefaseovergang som forventet, men på grunn av en forstyrrelsesdrevet faseovergang.

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.

Teamet inkluderer Purdue-forskere og partnerinstitusjoner. Fra Purdue inkluderer teamet Carlson, Dr. Forrest Simmons, nylig PhD-student, og tidligere PhD-studenter Dr. Shuo Liu og Dr. Benjamin Phillabaum. Purdue-teamet fullførte arbeidet innen Purdue Quantum Science and Engineering Institute (PQSEI). Teamet fra partnerinstitusjoner inkluderer Dr. Jennifer Hoffman, Dr. Can-Li Song, Dr. Elizabeth Main fra Harvard University, Dr. Karin Dahmen fra University of Urbana-Champaign og Dr. Eric Hudson fra Pennsylvania State University.

"Observasjonen av fraktale mønstre av orienterende ('nematiske') domener – smart ekstrahert av Carlson og samarbeidspartnere fra STM-bilder av overflatene til krystaller av en cuprate høytemperatur-superleder – er interessant og estetisk tiltalende i seg selv, men også av betydelig grunnleggende viktigheten av å ta tak i den essensielle fysikken til disse materialene, sier Dr. Steven Kivelson, Prabhu Goel-familieprofessor ved Stanford University og en teoretisk fysiker som spesialiserer seg på nye elektroniske tilstander i kvantematerialer. "En eller annen form for nematisk orden, vanligvis antatt å være en avatar av en mer primitiv ladningstetthetsbølgeorden, har blitt antatt å spille en viktig rolle i teorien om cuprates, men bevisene for denne proposisjonen har tidligere vært i beste fall tvetydig. To viktige slutninger følger av Carlson et al. sin analyse: 1) Det faktum at de nematiske domenene fremstår som fraktale innebærer at korrelasjonslengden – avstanden som den nematiske rekkefølgen opprettholder koherens over – er større enn synsfeltet til forsøket. som betyr at den er veldig stor sammenlignet med andre mikroskopiske vekter. 2) Det faktum at mønstre som karakteriserer rekkefølgen er de samme som de oppnådd fra studier av den tredimensjonale tilfeldige felt Ising-modellen – en av de paradigrmatiske modellene for klassisk statistisk mekanikk – antyder at omfanget av den nematiske orden bestemmes av ytre mengder og at det i seg selv (dvs. i fravær av krystallinske ufullkommenheter) vil vise korrelasjoner med enda lengre rekkevidde, ikke bare langs overflaten, men som strekker seg dypt inn i hoveddelen av krystallen.»

Høyoppløselige bilder av disse fraktalene er møysommelig tatt i Hoffmans laboratorium ved Harvard University og Hudsons laboratorium, nå i Penn State, ved bruk av skanningstunnelmikroskoper (STM) for å måle elektroner på overflaten av BSCO, en cuprate-superleder. Mikroskopet skanner atom for atom over den øvre overflaten av BSCO, og det de fant var stripeorienteringer som gikk i to forskjellige retninger i stedet for samme retning. Resultatet, sett ovenfor i rødt og blått, er et taggete bilde som danner interessante mønstre av elektroniske stripeorienteringer.

"De elektroniske mønstrene er komplekse, med hull på innsiden av hullene og kanter som ligner utsmykket filigran," forklarer Carlson. «Ved bruk av teknikker fra fraktal matematikk karakteriserer vi disse formene ved hjelp av fraktale tall. I tillegg bruker vi statistikkmetoder fra faseoverganger for å karakterisere ting som hvor mange klynger som er av en viss størrelse, og hvor sannsynlig at nettstedene er i samme klynge.»

Når Carlson-gruppen analyserte disse mønstrene, fant de et overraskende resultat. Disse mønstrene dannes ikke bare på overflaten som flatlags fraktal oppførsel, men de fyller plass i tre dimensjoner. Simuleringer for denne oppdagelsen ble utført ved Purdue University ved bruk av Purdues superdatamaskiner ved Rosen Center for Advanced Computing. Prøver på fem forskjellige dopingnivåer ble målt av Harvard og Penn State, og resultatet var likt blant alle fem prøvene.

Det unike samarbeidet mellom Illinois (Dahmen) og Purdue (Carlson) brakte klyngeteknikker fra uordnet statistisk mekanikk inn i feltet av kvantematerialer som superledere. Carlsons gruppe tilpasset teknikken til å gjelde kvantematerialer, og utvidet teorien om andreordens faseoverganger til elektroniske fraktaler i kvantematerialer.

"Dette bringer oss ett skritt nærmere å forstå hvordan cuprate-superledere fungerer," forklarer Carlson. "Medlemmer av denne familien av superledere er for tiden de høyeste temperatur superledere som skjer ved omgivelsestrykk. Hvis vi kunne få superledere som fungerer ved omgivelsestrykk og temperatur, kan vi komme langt for å løse energikrisen fordi ledningene vi for tiden bruker til å drive elektronikk er metaller i stedet for superledere. I motsetning til metaller, bærer superledere strøm perfekt uten tap av energi. På den annen side bruker alle ledningene vi bruker i utendørs kraftledninger metaller, som taper energi hele tiden de fører strøm. Superledere er også av interesse fordi de kan brukes til å generere svært høye magnetiske felt, og for magnetisk levitasjon. De brukes for tiden (med massive kjøleenheter!) i MR-er på sykehus og svevende tog.»

De neste trinnene for Carlson-gruppen er å bruke Carlson-Dahmen-klyngeteknikkene på andre kvantematerialer.

"Ved å bruke disse klyngeteknikkene har vi også identifisert elektroniske fraktaler i andre kvantematerialer, inkludert vanadiumdioksid (VO2) og neodymnikkelater (NdNiO3). Vi mistenker at denne oppførselen faktisk kan være ganske allestedsnærværende i kvantematerialer, sier Carlson.

Denne typen oppdagelser fører kvanteforskere nærmere å løse gåtene om superledning.

“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."

Finansiering for arbeidet ved Purdue University for denne forskningen inkluderer National Science Foundation, Bilsland Dissertation Fellowship (for Dr. Liu) og Research Corporation for Science Advancement.

####

Om Purdue University
Purdue University er en topp offentlig forskningsinstitusjon som utvikler praktiske løsninger på dagens tøffeste utfordringer. Purdue er rangert i hvert av de siste fem årene som et av de 10 mest innovative universitetene i USA av US News & World Report, og leverer verdensendrende forskning og oppdagelser utenom denne verden. Forpliktet til praktisk og online læring i den virkelige verden, tilbyr Purdue en transformativ utdanning til alle. Forpliktet til rimelighet og tilgjengelighet, har Purdue frosset undervisning og de fleste avgifter på 2012-13-nivåer, noe som gjør det mulig for flere studenter enn noen gang å oppgradere gjeldfrie. Se hvordan Purdue aldri stopper i den vedvarende jakten på det neste gigantiske spranget https://stories.purdue.edu .

Om Institutt for fysikk og astronomi ved Purdue University

Purdue Institutt for fysikk og astronomi har en rik og lang historie som går tilbake til 1904. Vårt fakultet og studenter utforsker naturen i alle lengdeskalaer, fra det subatomære til det makroskopiske og alt i mellom. Med et utmerket og mangfoldig fellesskap av fakulteter, postdoktorer og studenter som skyver nye vitenskapelige grenser, tilbyr vi et dynamisk læringsmiljø, et inkluderende forskningsmiljø og et engasjerende nettverk av forskere.

Fysikk og astronomi er en av de syv avdelingene innen Purdue University College of Science. Forskning i verdensklasse utføres innen astrofysikk, atom- og molekyloptikk, akseleratormassespektrometri, biofysikk, kondensert materiefysikk, kvanteinformasjonsvitenskap, partikkel- og kjernefysikk. Våre toppmoderne fasiliteter er i Physics Building, men våre forskere engasjerer seg også i tverrfaglig arbeid ved Discovery Park District i Purdue, spesielt Birck Nanotechnology Center og Bindley Bioscience Center. Vi deltar også i global forskning, inkludert ved Large Hadron Collider ved CERN, Argonne National Laboratory, Brookhaven National Laboratory, Fermilab, Stanford Linear Accelerator, James Webb Space Telescope og flere observatorier rundt om i verden.

Om Purdue Quantum Science and Engineering Institute (PQSEI)

Ligger i Discovery Park District, fremmer PQSEI utviklingen av praktiske og virkningsfulle aspekter av kvantevitenskap og fokuserer på å oppdage og studere nye materialer, enheter og grunnleggende fysiske kvantesystemer som vil være egnet for integrering i morgendagens teknologi. Den oppmuntrer til tverrfaglig samarbeid som fører til design og realisering av kvanteenheter med forbedret funksjonalitet og ytelse nær den grunnleggende grensen, med sikte på å bringe dem til et stort brukerfellesskap. PQSEI-fakultetet jobber med et bredt spekter av emner innen kvantevitenskap og -teknikk, inkludert kvantematerialer og -enheter, kvantefotonikk, atomær molekylær og optisk fysikk, kvantekjemi, kvantemåling og kontroll, kvantesimulering og kvanteinformasjon og databehandling. Til slutt jobber PQSEI for å trene neste generasjon kvanteforskere og ingeniører for å møte de økende kravene til kvantearbeidsstyrken.

For mer informasjon, klikk her.

Kontakter:
Brittany Steff
Purdue University
Kontor: 765-494-7833

Hvis du har en kommentar, vær så snill Kontakt oss.

Utstedere av nyhetsutgivelser, ikke 7th Wave, Inc. eller Nanotechnology Now, er alene ansvarlig for nøyaktigheten av innholdet.

Bokmerke: