Nanotecnologia agora - Comunicado à imprensa: Pesquisadores da Purdue descobrem que imagens supercondutoras são, na verdade, fractais 3D e movidos por desordem

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Abstrato:
Atender às demandas de energia do mundo está atingindo um ponto crítico. Impulsionar a era tecnológica causou problemas em todo o mundo. É cada vez mais importante criar supercondutores que possam operar à pressão e temperatura ambiente. Isso ajudaria muito a resolver a crise energética.

Pesquisadores da Purdue descobrem que imagens supercondutoras são, na verdade, fractais 3D e orientados por desordem

West Lafayette, IN | Postado em 12 de maio de 2023

Avanços com supercondutividade dependem de avanços em materiais quânticos. Quando os elétrons dentro de materiais quânticos passam por uma transição de fase, os elétrons podem formar padrões complexos, como fractais. Um fractal é um padrão sem fim. Ao ampliar um fractal, a imagem parece a mesma. Fractais comumente vistos podem ser uma árvore ou geada em uma vidraça no inverno. Os fractais podem se formar em duas dimensões, como o gelo em uma janela, ou em um espaço tridimensional, como os galhos de uma árvore.

A Dra. Erica Carlson, professora de física e astronomia do 150º aniversário na Purdue University, liderou uma equipe que desenvolveu técnicas teóricas para caracterizar as formas fractais que esses elétrons criam, a fim de descobrir a física subjacente que conduz os padrões.

Carlson, um físico teórico, avaliou imagens de alta resolução das localizações dos elétrons no supercondutor Bi2-xPbzSr2-yLayCuO6+x (BSCO) e determinou que essas imagens são realmente fractais e descobriu que elas se estendem por todo o espaço tridimensional. ocupada pelo material, como uma árvore preenchendo o espaço.

O que antes era pensado como dispersões aleatórias dentro das imagens fractais são propositais e, surpreendentemente, não devido a uma transição de fase quântica subjacente como esperado, mas devido a uma transição de fase impulsionada pela desordem.

Carlson liderou uma equipe colaborativa de pesquisadores em várias instituições e publicou suas descobertas, intituladas "Correlações nemáticas críticas em toda a faixa de doping supercondutor em Bi2-xPbzSr2-yLayCuO6+x", na Nature Communications.

A equipe inclui cientistas da Purdue e instituições parceiras. De Purdue, a equipe inclui Carlson, Dr. Forrest Simmons, recente aluno de doutorado e ex-alunos de doutorado Dr. Shuo Liu e Dr. Benjamin Phillabaum. A equipe de Purdue concluiu seu trabalho no Purdue Quantum Science and Engineering Institute (PQSEI). A equipe de instituições parceiras inclui a Dra. Jennifer Hoffman, a Dra. Can-Li Song, a Dra. Elizabeth Main da Harvard University, a Dra. Karin Dahmen da University of Urbana-Champaign e o Dr. Eric Hudson da Pennsylvania State University.

“A observação de padrões fractais de domínios orientacionais ('nemáticos') – habilmente extraídos por Carlson e colaboradores de imagens STM das superfícies de cristais de um supercondutor de alta temperatura de cuprato – é interessante e esteticamente atraente por si só, mas também de considerável importância fundamental importância em lidar com a física essencial desses materiais”, diz o Dr. Steven Kivelson, o Prabhu Goel Family Professor na Universidade de Stanford e um físico teórico especializado em novos estados eletrônicos em materiais quânticos. “Alguma forma de ordem nemática, tipicamente considerada um avatar de uma ordem de carga-densidade-onda mais primitiva, foi conjeturada para desempenhar um papel importante na teoria dos cupratos, mas a evidência em favor desta proposição foi previamente ambíguo na melhor das hipóteses. Duas inferências importantes decorrem da análise de Carlson et al.: 1) O fato de os domínios nemáticos parecerem fractais implica que o comprimento da correlação – a distância sobre a qual a ordem nemática mantém a coerência – é maior que o campo de visão do experimento, o que significa que é muito grande em comparação com outras escalas microscópicas. 2) O fato de os padrões que caracterizam a ordem serem os mesmos obtidos a partir de estudos do modelo tridimensional de campo aleatório de Ising – um dos modelos paradigmáticos da mecânica estatística clássica – sugere que a extensão da ordem nemática é determinada por fatores extrínsecos quantidades e que intrinsecamente (ou seja, na ausência de imperfeições cristalinas) exibiria correlações de alcance ainda mais longo não apenas ao longo da superfície, mas estendendo-se profundamente na massa do cristal.”

Imagens de alta resolução desses fractais são meticulosamente tiradas no laboratório de Hoffman na Universidade de Harvard e no laboratório de Hudson, agora na Penn State, usando microscópios de tunelamento de varredura (STM) para medir elétrons na superfície do BSCO, um supercondutor de cuprato. O microscópio escaneia átomo por átomo na superfície superior do BSCO, e o que eles descobriram foram orientações de listras que seguiam em duas direções diferentes, em vez da mesma direção. O resultado, visto acima em vermelho e azul, é uma imagem irregular que forma padrões interessantes de orientações de faixas eletrônicas.

“Os padrões eletrônicos são complexos, com buracos dentro de buracos e bordas que lembram filigrana ornamentada”, explica Carlson. “Usando técnicas da matemática fractal, caracterizamos essas formas usando números fractais. Além disso, usamos métodos estatísticos de transições de fase para caracterizar coisas como quantos clusters são de um determinado tamanho e a probabilidade de os sites estarem no mesmo cluster”.

Depois que o grupo de Carlson analisou esses padrões, eles encontraram um resultado surpreendente. Esses padrões não se formam apenas na superfície como um comportamento fractal de camada plana, mas preenchem o espaço em três dimensões. Simulações para esta descoberta foram realizadas na Purdue University usando os supercomputadores da Purdue no Rosen Center for Advanced Computing. Amostras em cinco níveis de doping diferentes foram medidas por Harvard e Penn State, e o resultado foi semelhante entre todas as cinco amostras.

A colaboração única entre Illinois (Dahmen) e Purdue (Carlson) trouxe técnicas de agrupamento de mecânica estatística desordenada para o campo de materiais quânticos como supercondutores. O grupo de Carlson adaptou a técnica para aplicar a materiais quânticos, estendendo a teoria das transições de fase de segunda ordem para fractais eletrônicos em materiais quânticos.

“Isso nos deixa um passo mais perto de entender como funcionam os supercondutores de cuprato”, explica Carlson. “Os membros desta família de supercondutores são atualmente os supercondutores de temperatura mais alta que ocorrem à pressão ambiente. Se conseguíssemos supercondutores que funcionassem à pressão e temperatura ambiente, poderíamos percorrer um longo caminho para resolver a crise de energia, porque os fios que usamos atualmente para operar eletrônicos são metais, e não supercondutores. Ao contrário dos metais, os supercondutores transportam corrente perfeitamente sem perda de energia. Por outro lado, todos os fios que usamos em linhas elétricas externas usam metais, que perdem energia durante todo o tempo em que estão conduzindo corrente. Os supercondutores também são interessantes porque podem ser usados para gerar campos magnéticos muito altos e para levitação magnética. Eles são usados atualmente (com enormes dispositivos de resfriamento!) em ressonâncias magnéticas em hospitais e trens levitantes.”

Os próximos passos para o grupo Carlson são aplicar as técnicas de cluster Carlson-Dahmen a outros materiais quânticos.

“Usando essas técnicas de cluster, também identificamos fractais eletrônicos em outros materiais quânticos, incluindo dióxido de vanádio (VO2) e niquelados de neodímio (NdNiO3). Suspeitamos que esse comportamento possa realmente ser bastante onipresente em materiais quânticos”, diz Carlson.

Esse tipo de descoberta leva os cientistas quânticos mais perto de resolver os enigmas da supercondutividade.

“O campo geral dos materiais quânticos visa trazer para o primeiro plano as propriedades quânticas dos materiais, para um lugar onde possamos controlá-los e usá-los para tecnologia”, explica Carlson. “Cada vez que um novo tipo de material quântico é descoberto ou criado, ganhamos novas capacidades, tão dramáticas quanto os pintores que descobrem uma nova cor para pintar.”

O financiamento para o trabalho na Purdue University para esta pesquisa inclui a National Science Foundation, a Bilsland Dissertation Fellowship (para o Dr. Liu) e a Research Corporation for Science Advancement.

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Sobre a Purdue University
A Purdue University é uma importante instituição pública de pesquisa que desenvolve soluções práticas para os desafios mais difíceis da atualidade. Classificada em cada um dos últimos cinco anos como uma das 10 universidades mais inovadoras dos Estados Unidos pelo US News & World Report, a Purdue oferece pesquisas que mudam o mundo e descobertas de outro mundo. Comprometida com o aprendizado prático e on-line no mundo real, a Purdue oferece uma educação transformadora para todos. Comprometida com a acessibilidade e a acessibilidade, a Purdue congelou as mensalidades e a maioria das taxas nos níveis de 2012-13, permitindo que mais alunos do que nunca se formem sem dívidas. Veja como Purdue nunca para na busca persistente do próximo salto gigante em https://stories.purdue.edu .

Sobre o Departamento de Física e Astronomia da Purdue University

O Departamento de Física e Astronomia de Purdue tem uma longa e rica história que remonta a 1904. Nossos professores e alunos estão explorando a natureza em todas as escalas de comprimento, do subatômico ao macroscópico e tudo mais. Com uma comunidade excelente e diversificada de professores, pós-doutorandos e alunos que estão expandindo novas fronteiras científicas, oferecemos um ambiente de aprendizado dinâmico, uma comunidade de pesquisa inclusiva e uma rede envolvente de acadêmicos.

Física e Astronomia é um dos sete departamentos da Purdue University College of Science. A pesquisa de classe mundial é realizada em astrofísica, ótica atômica e molecular, espectrometria de massa do acelerador, biofísica, física da matéria condensada, ciência da informação quântica, partícula e física nuclear. Nossas instalações de última geração estão no Physics Building, mas nossos pesquisadores também se envolvem em trabalhos interdisciplinares no Discovery Park District em Purdue, particularmente no Birck Nanotechnology Center e no Bindley Bioscience Center. Também participamos de pesquisas globais, incluindo o Large Hadron Collider no CERN, o Argonne National Laboratory, o Brookhaven National Laboratory, o Fermilab, o Stanford Linear Accelerator, o James Webb Space Telescope e vários observatórios ao redor do mundo.

Sobre o Purdue Quantum Science and Engineering Institute (PQSEI)

Localizado no Discovery Park District, o PQSEI promove o desenvolvimento de aspectos práticos e impactantes da ciência quântica e se concentra na descoberta e estudo de novos materiais, dispositivos e sistemas quânticos físicos básicos que serão adequados para integração na tecnologia de amanhã. Incentiva a colaboração interdisciplinar que leva ao design e à realização de dispositivos quânticos com funcionalidade aprimorada e desempenho próximo ao limite fundamental, com o objetivo de levá-los a uma vasta comunidade de usuários. O corpo docente do PQSEI trabalha em uma ampla gama de tópicos em ciência e engenharia quântica, incluindo materiais e dispositivos quânticos, fotônica quântica, física molecular e óptica atômica, química quântica, medição e controle quântico, simulação quântica e informação e computação quântica. Por fim, o PQSEI trabalha para treinar a próxima geração de cientistas e engenheiros quânticos, a fim de atender às crescentes demandas da força de trabalho quântica.

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Contactos:
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Universidade de Purdue
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Fonte: http://www.nanotech-now.com/news.cgi?story_id=57345

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