Nanotechnology Now - Press Release: Researchers At Purdue Discover Superconductive Images Are Actually 3D And Disorder-driven Fractals

Republicat de Platon

Urmaritori: 0

Acasă > Anunturi > Cercetătorii de la Purdue descoperă că imaginile supraconductoare sunt de fapt fractali 3D și conduși de tulburări

Rezumat:
Satisfacerea cererilor de energie ale lumii atinge un punct critic. Alimentarea erei tehnologice a cauzat probleme la nivel global. Este din ce în ce mai important să se creeze supraconductori care să poată funcționa la presiunea și temperatura ambiantă. Acest lucru ar merge în mare măsură spre rezolvarea crizei energetice.

Cercetătorii de la Purdue descoperă că imaginile supraconductoare sunt de fapt fractali 3D și conduși de tulburări.

West Lafayette, IN | Postat pe 12 mai 2023

Progresele cu supraconductivitate depind de progresele materialelor cuantice. Când electronii din interiorul materialelor cuantice suferă o tranziție de fază, electronii pot forma modele complicate, cum ar fi fractalii. Un fractal este un model fără sfârșit. Când măriți un fractal, imaginea arată la fel. Fractalii observați în mod obișnuit pot fi un copac sau îngheț pe un geam iarna. Fractalii se pot forma în două dimensiuni, ca gerul de pe o fereastră, sau în spațiu tridimensional, precum membrele unui copac.

Dr. Erica Carlson, profesor de fizică și astronomie la 150 de ani de la Universitatea Purdue, a condus o echipă care a dezvoltat tehnici teoretice pentru caracterizarea formelor fractale pe care le fac acești electroni, pentru a descoperi fizica care stau la baza modelelor.

Carlson, un fizician teoretician, a evaluat imagini de înaltă rezoluție ale locațiilor electronilor în supraconductorul Bi2-xPbzSr2-yLayCuO6+x (BSCO) și a determinat că aceste imagini sunt într-adevăr fractale și a descoperit că se extind în întreg spațiul tridimensional. ocupat de material, ca un spațiu de umplere a copacului.

Ceea ce odată a fost considerat ca fiind dispersii aleatorii în imaginile fractale sunt intenționate și, în mod șocant, nu se datorează unei tranziții de fază cuantică subiacentă așa cum era de așteptat, ci datorită unei tranziții de fază determinate de tulburări.

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.

Echipa include oameni de știință Purdue și instituții partenere. Din Purdue, echipa include Carlson, Dr. Forrest Simmons, doctorand recent și foști doctoranzi dr. Shuo Liu și dr. Benjamin Phillabaum. Echipa Purdue și-a finalizat activitatea în cadrul Institutului de Știință și Inginerie Cuantică Purdue (PQSEI). Echipa din instituțiile partenere include Dr. Jennifer Hoffman, Dr. Can-Li Song, Dr. Elizabeth Main de la Universitatea Harvard, Dr. Karin Dahmen de la Universitatea Urbana-Champaign și Dr. Eric Hudson de la Universitatea de Stat din Pennsylvania.

„Observarea tiparelor fractale ale domeniilor orientative („nematice”) – extrase inteligent de către Carlson și colaboratori din imaginile STM ale suprafețelor cristalelor unui supraconductor de temperatură înaltă cuprat – este interesantă și atrăgătoare din punct de vedere estetic în sine, dar și considerabilă fundamentală. importanță în abordarea fizicii esențiale a acestor materiale”, spune dr. Steven Kivelson, profesor de familie Prabhu Goel la Universitatea Stanford și fizician teoretician specializat în stări electronice noi în materiale cuantice. „O anumită formă de ordine nematică, de obicei considerată a fi un avatar al unei ordini mai primitive de sarcină-densitate-undă, s-a presupus că joacă un rol important în teoria cupraților, dar dovezile în favoarea acestei propuneri au fost anterior. ambiguă în cel mai bun caz. Din analiza lui Carlson et al. rezultă două inferențe importante: 1) Faptul că domeniile nematice apar fractale implică faptul că lungimea corelației – distanța pe care ordinea nematică menține coerența – este mai mare decât câmpul de vedere al experimentului, ceea ce înseamnă că este foarte mare în comparație cu alte scale microscopice. 2) Faptul că tiparele care caracterizează ordinea sunt aceleași cu cele obținute din studiile modelului Ising tridimensional cu câmp aleator – unul dintre modelele paradigmatice ale mecanicii statistice clasice – sugerează că amploarea ordinii nematice este determinată de extrinseci. cantități și că în mod intrinsec (adică în absența imperfecțiunilor cristaline) ar prezenta corelații cu o rază încă mai lungă nu doar de-a lungul suprafeței, ci extinzându-se adânc în cea mai mare parte a cristalului.”

Imaginile de înaltă rezoluție ale acestor fractali sunt luate cu minuțiozitate în laboratorul lui Hoffman de la Universitatea Harvard și în laboratorul lui Hudson, acum la Penn State, folosind microscoape de scanare cu tunel (STM) pentru a măsura electronii de la suprafața BSCO, un supraconductor cuprat. Microscopul scanează atom cu atom pe suprafața superioară a BSCO, iar ceea ce au găsit au fost orientări ale dungilor care mergeau în două direcții diferite în loc de aceeași direcție. Rezultatul, văzut mai sus în roșu și albastru, este o imagine zimțată care formează modele interesante de orientări ale benzilor electronice.

„Modelele electronice sunt complexe, cu găuri în interiorul găurilor și margini care seamănă cu filigranul ornamentat”, explică Carlson. „Folosind tehnici din matematica fractală, caracterizăm aceste forme folosind numere fractale. În plus, folosim metode statistice de la tranzițiile de fază pentru a caracteriza lucruri precum câte clustere sunt de o anumită dimensiune și cât de probabil sunt site-urile să fie în același cluster.”

Odată ce grupul Carlson a analizat aceste modele, au găsit un rezultat surprinzător. Aceste modele nu se formează doar pe suprafață, ca un comportament fractal în strat plat, ci umplu spațiul în trei dimensiuni. Simulările pentru această descoperire au fost efectuate la Universitatea Purdue folosind supercalculatoarele lui Purdue la Rosen Center for Advanced Computing. Probele la cinci niveluri diferite de dopaj au fost măsurate de Harvard și Penn State, iar rezultatul a fost similar pentru toate cele cinci probe.

Colaborarea unică dintre Illinois (Dahmen) și Purdue (Carlson) a adus tehnici de cluster din mecanica statistică dezordonată în domeniul materialelor cuantice precum supraconductorii. Grupul lui Carlson a adaptat tehnica pentru a se aplica materialelor cuantice, extinzând teoria tranzițiilor de fază de ordinul doi la fractalii electronici din materialele cuantice.

„Acest lucru ne aduce cu un pas mai aproape de înțelegerea modului în care funcționează supraconductorii cuprați”, explică Carlson. „Membrii acestei familii de supraconductori sunt în prezent cei mai mari supraconductori de temperatură care se întâmplă la presiunea ambiantă. Dacă am putea obține supraconductori care funcționează la presiunea și temperatura ambiantă, am putea parcurge un drum lung spre rezolvarea crizei energetice, deoarece firele pe care le folosim în prezent pentru a rula electronice sunt mai degrabă metale decât supraconductoare. Spre deosebire de metale, supraconductorii transportă curentul perfect, fără pierderi de energie. Pe de altă parte, toate firele pe care le folosim în liniile electrice exterioare folosesc metale, care pierd energie pe tot parcursul timpului în care transportă curent. Supraconductorii sunt, de asemenea, de interes deoarece pot fi folosiți pentru a genera câmpuri magnetice foarte mari și pentru levitația magnetică. Ele sunt utilizate în prezent (cu dispozitive de răcire masive!) în RMN-urile din spitale și în trenuri în levitație.”

Următorii pași pentru grupul Carlson sunt aplicarea tehnicilor clusterului Carlson-Dahmen la alte materiale cuantice.

„Folosind aceste tehnici de cluster, am identificat, de asemenea, fractali electronici în alte materiale cuantice, inclusiv dioxid de vanadiu (VO2) și nichelați de neodim (NdNiO3). Bănuim că acest comportament ar putea fi de fapt destul de omniprezent în materialele cuantice”, spune Carlson.

Acest tip de descoperire îi conduce pe oamenii de știință cuantici mai aproape de rezolvarea ghicitorilor supraconductivității.

“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."

Finanțarea lucrărilor de la Universitatea Purdue pentru această cercetare include Fundația Națională pentru Știință, Bursa de disertație Bilsland (pentru Dr. Liu) și Corporation de cercetare pentru Progresul Științei.

####

Despre Universitatea Purdue
Universitatea Purdue este o instituție publică de cercetare de top care dezvoltă soluții practice pentru cele mai dificile provocări de astăzi. Clasat în fiecare dintre ultimii cinci ani drept una dintre cele mai inovatoare 10 universități din Statele Unite de către US News & World Report, Purdue oferă cercetări care schimbă lumea și descoperiri din afara acestei lumi. Angajat în învățarea practică și online, în lumea reală, Purdue oferă tuturor o educație transformatoare. Angajat către accesibilitate și accesibilitate, Purdue a înghețat școlarizarea și majoritatea taxelor la nivelurile 2012-13, permițând mai multor studenți ca niciodată să absolve fără datorii. Vedeți cum Purdue nu se oprește niciodată în urmărirea persistentă a următorului salt uriaș https://stories.purdue.edu .

Despre Departamentul de Fizică și Astronomie de la Universitatea Purdue

Departamentul de Fizică și Astronomie din Purdue are o istorie bogată și lungă, care datează din 1904. Facultatea și studenții noștri explorează natura la toate scalele de lungime, de la subatomic la macroscopic și orice altceva. Cu o comunitate excelentă și diversă de profesori, postdoc și studenți care împing noi frontiere științifice, oferim un mediu de învățare dinamic, o comunitate de cercetare incluzivă și o rețea antrenantă de savanți.

Fizica și Astronomia este una dintre cele șapte departamente din cadrul Colegiului de Științe al Universității Purdue. Cercetări de clasă mondială sunt efectuate în astrofizică, optică atomică și moleculară, spectrometrie de masă cu accelerator, biofizică, fizica materiei condensate, știința informației cuantice, fizica particulelor și nucleară. Facilitățile noastre de ultimă generație se află în Clădirea Fizicii, dar cercetătorii noștri se angajează și în lucrări interdisciplinare la Discovery Park District din Purdue, în special Centrul de Nanotehnologie Birck și Centrul de Bioștiință Bindley. De asemenea, participăm la cercetări globale, inclusiv la Large Hadron Collider de la CERN, Laboratorul Național Argonne, Laboratorul Național Brookhaven, Fermilab, Acceleratorul Linear Stanford, Telescopul Spațial James Webb și câteva observatoare din întreaga lume.

Despre Purdue Quantum Science and Engineering Institute (PQSEI)

Situat în Discovery Park District, PQSEI încurajează dezvoltarea aspectelor practice și de impact ale științei cuantice și se concentrează pe descoperirea și studierea de noi materiale, dispozitive și sisteme cuantice fizice de bază care vor fi potrivite pentru integrarea în tehnologia de mâine. Încurajează colaborarea interdisciplinară care duce la proiectarea și realizarea de dispozitive cuantice cu funcționalitate îmbunătățită și performanță aproape de limita fundamentală, urmărind în cele din urmă să le aducă la o comunitate vastă de utilizatori. Facultatea PQSEI lucrează pe o gamă largă de subiecte în știința și inginerie cuantică, inclusiv materiale și dispozitive cuantice, fotonica cuantică, fizică moleculară atomică și optică, chimie cuantică, măsurare și control cuantic, simulare cuantică și informații și calcul cuantice. În cele din urmă, PQSEI lucrează pentru a pregăti următoarea generație de oameni de știință și ingineri cuantici pentru a satisface cerințele în creștere ale forței de muncă cuantice.

Pentru mai multe informații, faceți clic pe aici

Contacte:
Brittany Steff
Universitatea Purdue
Birou: 765-494-7833

Drepturi de autor © Universitatea Purdue

Dacă aveți un comentariu, vă rog Contact ne.

Emitenții de comunicate de știri, nu 7th Wave, Inc. sau Nanotechnology Now, sunt singuri responsabili pentru acuratețea conținutului.

Bookmark: