Nanotechnologia teraz – komunikat prasowy: Naukowcy z Purdue odkrywają, że obrazy nadprzewodzące to w rzeczywistości fraktale 3D i spowodowane zaburzeniami

Opublikowane ponownie przez Plato

Obserwuje: 0

Strona główna > Naciśnij przycisk > Naukowcy z Purdue odkrywają, że obrazy nadprzewodzące są w rzeczywistości trójwymiarowymi fraktalami napędzanymi zaburzeniami

Abstrakcyjny:
Sprostanie światowemu zapotrzebowaniu na energię zbliża się do punktu krytycznego. Zasilanie wieku technologicznego spowodowało problemy na całym świecie. Coraz ważniejsze staje się tworzenie nadprzewodników, które mogą działać w warunkach ciśnienia i temperatury otoczenia. To znacznie ułatwiłoby rozwiązanie kryzysu energetycznego.

Naukowcy z Purdue odkrywają, że obrazy nadprzewodzące są w rzeczywistości trójwymiarowymi fraktalami napędzanymi zaburzeniami

West Lafayette, IN | Opublikowano 12 maja 2023 r

Postępy w zakresie nadprzewodnictwa zależą od postępów w materiałach kwantowych. Kiedy elektrony wewnątrz materiałów kwantowych przechodzą przemianę fazową, elektrony mogą tworzyć skomplikowane wzory, takie jak fraktale. Fraktal to niekończący się wzór. Po powiększeniu fraktala obraz wygląda tak samo. Powszechnie spotykanymi fraktalami mogą być drzewa lub szron na szybie zimą. Fraktale mogą tworzyć się w dwóch wymiarach, jak szron na oknie, lub w przestrzeni trójwymiarowej, jak konary drzewa.

Dr Erica Carlson, profesor fizyki i astronomii z okazji 150-lecia na Uniwersytecie Purdue, kierowała zespołem, który opracował teoretyczne techniki charakteryzowania fraktalnych kształtów tworzonych przez te elektrony, aby odkryć fizykę leżącą u podstaw tych wzorów.

Carlson, fizyk teoretyk, ocenił obrazy o wysokiej rozdzielczości przedstawiające rozmieszczenie elektronów w nadprzewodniku Bi2-xPbzSr2-yLayCuO6+x (BSCO) i ustalił, że te obrazy rzeczywiście są fraktalami i odkrył, że rozciągają się one na całą trójwymiarową przestrzeń zajęte przez materiał, jak drzewo wypełniające przestrzeń.

To, co kiedyś uważano za przypadkowe rozproszenie w obrazach fraktalnych, jest celowe i, co szokujące, nie wynika z leżącego u podstaw kwantowego przejścia fazowego, jak oczekiwano, ale z powodu nieuporządkowanego przejścia fazowego.

Carlson kierował zespołem badaczy z wielu instytucji i opublikował ich ustalenia zatytułowane „Krytyczne korelacje nematyczne w całym zakresie domieszkowania nadprzewodzącego w Bi2-xPbzSr2-yLayCuO6+x” w czasopiśmie Nature Communications.

W skład zespołu wchodzą naukowcy Purdue oraz instytucje partnerskie. W skład zespołu z Purdue wchodzą Carlson, dr Forrest Simmons, niedawny doktorant i byli doktoranci, dr Shuo Liu i dr Benjamin Phillabaum. Zespół Purdue zakończył pracę w Purdue Quantum Science and Engineering Institute (PQSEI). Zespół z instytucji partnerskich obejmuje dr Jennifer Hoffman, dr Can-Li Song, dr Elizabeth Main z Uniwersytetu Harvarda, dr Karin Dahmen z University of Urbana-Champaign i dr Eric Hudson z Pennsylvania State University.

„Obserwacja fraktalnych wzorów domen orientacyjnych („nematycznych”) – sprytnie wyekstrahowanych przez Carlsona i współpracowników z obrazów STM powierzchni kryształów miedzianowego nadprzewodnika wysokotemperaturowego – sama w sobie jest interesująca i atrakcyjna estetycznie, ale ma również istotne fundamentalne znaczenie znaczenie w opanowaniu podstawowej fizyki tych materiałów”, mówi dr Steven Kivelson, profesor rodziny Prabhu Goel na Uniwersytecie Stanforda i fizyk teoretyczny specjalizujący się w nowych stanach elektronowych w materiałach kwantowych. „Przypuszcza się, że pewna forma porządku nematycznego, zazwyczaj uważana za awatara bardziej prymitywnego porządku fali o gęstości ładunku, odgrywa ważną rolę w teorii miedzianów, ale dowody przemawiające za tą tezą zostały już wcześniej w najlepszym razie niejednoznaczne. Z analizy Carlsona i wsp. wynikają dwa ważne wnioski: 1) Fakt, że domeny nematyczne wydają się fraktalne, implikuje, że długość korelacji - odległość, na której porządek nematyczny zachowuje spójność - jest większa niż pole widzenia eksperymentu, co oznacza, że jest bardzo duży w porównaniu do innych mikroskopijnych łusek. 2) Fakt, że wzorce charakteryzujące porządek są takie same, jak otrzymane z badań trójwymiarowego modelu pola losowego Isinga – jednego z paradygmatycznych modeli klasycznej mechaniki statystycznej – sugeruje, że zakres porządku nematycznego jest determinowany przez ilości i że wewnętrznie (tj. przy braku niedoskonałości krystalicznych) wykazywałby korelacje o jeszcze większym zasięgu, nie tylko wzdłuż powierzchni, ale rozciągając się głęboko w głąb kryształu”.

Obrazy tych fraktali w wysokiej rozdzielczości są skrupulatnie wykonywane w laboratorium Hoffmana na Uniwersytecie Harvarda i laboratorium Hudsona, obecnie w Penn State, przy użyciu skaningowych mikroskopów tunelowych (STM) do pomiaru elektronów na powierzchni BSCO, nadprzewodnika miedzianowego. Mikroskop skanuje atom po atomie na górnej powierzchni BSCO i odkryli orientacje pasków, które biegły w dwóch różnych kierunkach zamiast w tym samym kierunku. Rezultatem, widocznym powyżej na czerwono i niebiesko, jest postrzępiony obraz, który tworzy interesujące wzory orientacji pasków elektronicznych.

„Wzory elektroniczne są złożone, z otworami wewnątrz otworów i krawędziami przypominającymi ozdobny filigran” — wyjaśnia Carlson. „Korzystając z technik matematyki fraktalnej, scharakteryzowaliśmy te kształty za pomocą liczb fraktalnych. Ponadto używamy metod statystycznych z przejść fazowych, aby scharakteryzować takie rzeczy, jak liczba klastrów o określonej wielkości i prawdopodobieństwo, że witryny będą znajdować się w tym samym klastrze.

Kiedy grupa Carlsona przeanalizowała te wzorce, znalazła zaskakujący wynik. Wzory te nie tworzą się tylko na powierzchni, jak zachowanie fraktali z płaską warstwą, ale wypełniają przestrzeń w trzech wymiarach. Symulacje tego odkrycia przeprowadzono na Purdue University przy użyciu superkomputerów Purdue w Rosen Center for Advanced Computing. Próbki na pięciu różnych poziomach dopingu zostały zmierzone przez Harvard i Penn State, a wynik był podobny we wszystkich pięciu próbkach.

Wyjątkowa współpraca między Illinois (Dahmen) i Purdue (Carlson) przyniosła techniki klastrowe z nieuporządkowanej mechaniki statystycznej do dziedziny materiałów kwantowych, takich jak nadprzewodniki. Grupa Carlsona dostosowała technikę do zastosowania w materiałach kwantowych, rozszerzając teorię przejść fazowych drugiego rzędu na fraktale elektroniczne w materiałach kwantowych.

„To przybliża nas o krok do zrozumienia, jak działają nadprzewodniki miedzianowe” — wyjaśnia Carlson. „Członkowie tej rodziny nadprzewodników są obecnie nadprzewodnikami o najwyższych temperaturach, jakie występują przy ciśnieniu otoczenia. Gdybyśmy mogli uzyskać nadprzewodniki, które działają w ciśnieniu i temperaturze otoczenia, moglibyśmy przejść długą drogę w kierunku rozwiązania kryzysu energetycznego, ponieważ przewody, których obecnie używamy do obsługi elektroniki, są raczej metalami niż nadprzewodnikami. W przeciwieństwie do metali nadprzewodniki doskonale przewodzą prąd bez utraty energii. Z drugiej strony wszystkie przewody, których używamy w zewnętrznych liniach energetycznych, wykorzystują metale, które tracą energię przez cały czas, w którym przewodzą prąd. Nadprzewodniki są również interesujące, ponieważ można je wykorzystać do generowania bardzo silnych pól magnetycznych i lewitacji magnetycznej. Są one obecnie używane (z masywnymi urządzeniami chłodzącymi!) w rezonansach magnetycznych w szpitalach i lewitujących pociągach”.

Kolejnym krokiem dla grupy Carlsona jest zastosowanie technik klastrowych Carlsona-Dahmena do innych materiałów kwantowych.

„Korzystając z tych technik klastrowych, zidentyfikowaliśmy również fraktale elektroniczne w innych materiałach kwantowych, w tym w dwutlenku wanadu (VO2) i niklanach neodymu (NdNiO3). Podejrzewamy, że takie zachowanie może być dość wszechobecne w materiałach kwantowych” – mówi Carlson.

Tego typu odkrycia przybliżają naukowców kwantowych do rozwiązania zagadki nadprzewodnictwa.

„Ogólna dziedzina materiałów kwantowych ma na celu wysunięcie na pierwszy plan właściwości kwantowych materiałów, aby umożliwić im kontrolę i wykorzystanie ich w technologii” – wyjaśnia Carlson. „Za każdym razem, gdy odkrywany lub tworzony jest nowy typ materiału kwantowego, zyskujemy nowe możliwości, tak dramatyczne, jak malarze odkrywający nowy kolor do malowania”.

Finansowanie prac na Uniwersytecie Purdue w ramach tych badań obejmuje National Science Foundation, Bilsland Dissertation Fellowship (dla dr Liu) oraz Research Corporation for Science Advancement.

####

O Uniwersytecie Purdue
Purdue University jest wiodącą publiczną instytucją badawczą opracowującą praktyczne rozwiązania najtrudniejszych wyzwań dzisiejszych czasów. W każdym z ostatnich pięciu lat jako jeden z 10 najbardziej innowacyjnych uniwersytetów w Stanach Zjednoczonych według US News & World Report, Purdue zapewnia zmieniające świat badania i odkrycia nie z tego świata. Zaangażowany w praktyczną i internetową naukę w świecie rzeczywistym, Purdue oferuje wszystkim transformacyjną edukację. Zaangażowany w przystępność cenową i dostępność, Purdue zamroził czesne i większość opłat na poziomie 2012-13, umożliwiając większej liczbie studentów niż kiedykolwiek ukończenie studiów bez długów. Zobacz, jak Purdue nigdy nie ustaje w uporczywej pogoni za kolejnym gigantycznym skokiem https://stories.purdue.edu .

O Wydziale Fizyki i Astronomii Uniwersytetu Purdue

Purdue Department of Physics and Astronomy ma bogatą i długą historię sięgającą 1904 roku. Nasi wykładowcy i studenci badają przyrodę we wszystkich skalach długości, od subatomowej po makroskopową i wszystko pomiędzy. Dzięki doskonałej i zróżnicowanej społeczności wykładowców, doktorantów i studentów, którzy przesuwają nowe granice naukowe, oferujemy dynamiczne środowisko uczenia się, integracyjną społeczność badawczą i angażującą sieć naukowców.

Fizyka i astronomia to jeden z siedmiu wydziałów Purdue University College of Science. Prowadzone są światowej klasy badania w astrofizyce, optyce atomowej i molekularnej, akceleratorowej spektrometrii mas, biofizyce, fizyce materii skondensowanej, informatyce kwantowej, fizyce cząstek elementarnych i jądrowej. Nasze najnowocześniejsze obiekty znajdują się w budynku Physics, ale nasi badacze angażują się również w prace interdyscyplinarne w Discovery Park District w Purdue, w szczególności w Birck Nanotechnology Center i Bindley Bioscience Center. Uczestniczymy również w globalnych badaniach, w tym w Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERN, Argonne National Laboratory, Brookhaven National Laboratory, Fermilab, akceleratorze liniowym Stanforda, Kosmicznym Teleskopie Jamesa Webba i kilku obserwatoriach na całym świecie.

O Instytucie Nauki i Inżynierii Kwantowej Purdue (PQSEI)

Zlokalizowany w Discovery Park District, PQSEI wspiera rozwój praktycznych i wpływowych aspektów nauki kwantowej i koncentruje się na odkrywaniu i badaniu nowych materiałów, urządzeń i podstawowych fizycznych systemów kwantowych, które będą odpowiednie do integracji z technologią jutra. Zachęca do interdyscyplinarnej współpracy prowadzącej do projektowania i realizacji urządzeń kwantowych o zwiększonej funkcjonalności i wydajności zbliżonej do podstawowego limitu, mając na celu ostateczne udostępnienie ich ogromnej społeczności użytkowników. Wydział PQSEI zajmuje się szerokim zakresem tematów z zakresu nauki i inżynierii kwantowej, w tym materiałów i urządzeń kwantowych, fotoniki kwantowej, atomowej fizyki molekularnej i optycznej, chemii kwantowej, pomiarów i kontroli kwantowej, symulacji kwantowej oraz informacji i obliczeń kwantowych. Wreszcie, PQSEI pracuje nad szkoleniem następnej generacji naukowców i inżynierów kwantowych, aby sprostać rosnącym wymaganiom siły roboczej kwantowej.

Aby uzyskać więcej informacji, kliknij tutaj

Łączność:
Bretania Steff
Purdue University
Biuro: 765-494-7833

Prawa autorskie © Uniwersytet Purdue

Jeśli masz komentarz, proszę Kontakt my.

Wydawcy komunikatów prasowych, a nie 7th Wave, Inc. lub Nanotechnology Now, ponoszą wyłączną odpowiedzialność za dokładność treści.

Zakładka: